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별이 태양 근처를 지나갈 때 태양에서 끌려나온 물질들이 후에 응축되어 행성을 이룬다는 미행성설(微行星說)을 제안했다(→ 미행성체).

1873년 새로 설립된 위스콘신 지질조사국의 주정부 지질조사관보가 되었고 3년 후 수석지질학자로 임명되었다. 4권으로 된 조사보고서인 〈위스콘신의 지질 Geology of Wisconsin〉(1877~83)은 산호초뿐만 아니라 위스콘신 주의 빙하퇴적에 대한 깊은 관심을 반영하고 있다. 1881년 그는 미국 지질조사국에서 빙하 분과를 담당하는 지질학자로 임명되었고, 1887년 매디슨에 있는 위스콘신대학교 총장이 되었다.

1892년 시카고대학교 지질학과의 학과장직을 제안받고 이를 받아들여 그후 26년간 이곳을 세계에서 선도적인 지질학과의 하나로 발전시켰다. 1894년에는 그린란드에서 피어리 릴리프 탐험대의 지질학자가 되었으며 〈저널 오브 지올로지 The Journal of Geology〉를 창간했다. 그는 1918년에 은퇴했으나 마지막 생애 동안 훌륭한 연구를 가장 많이 수행했다. 빙하의 원인과 대기조성의 효과에 대한 연구에서 그는 지구형성 이론으로 받아들여지던 라플라스 가설에 의문을 갖게 되었다.

그는 미국 천문학자 포리스트 R. 몰턴의 도움을 받아 그와 함께 미행성설을 창안했다. 영국 천문학자인 제임스 진스의 유사한 연구와는 별도로 이루어진 그들의 연구는 〈2가지 태양계 The Two Solar Families〉(1928)로 출간되었다. 또한 체임벌린은 다중작용가설에 관여하고 있었는데, 이것으로 지질학 및 다른 문제의 정확한 해가 소거법을 통해 얻어졌다.