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화학자인 R. 분젠과 함께 스펙트럼 분석(가열된 물질에서 방출되는 빛을 분석하여 화학 분석하는 기법) 이론을 확립하고 이를 태양의 조성을 결정하는 데 응용했다. 1845년 처음으로 키르히호프의 법칙을 발표했는데, 이 법칙으로 전기회로망의 전류·전압·저항을 계산할 수 있게 되었다. 독일의 물리학자 G.S. 옴의 이론을 확장하여 3차원 전기도체의 경우에 전류 흐름을 기술하는 방정식을 끌어냈다. 그는 연구를 계속하여 전류가 광속으로 도체 속을 흐른다는 것을 증명했다.

1847년 베를린대학교의 사강사(월급을 받지 않는 강사)가 되었고 3년 후 브레슬라우대학교의 물리학교수로 임명되어 그곳에서 분젠과 함께 스펙트럼 분석의 기초를 쌓았다. 그들은 모든 원소는 백열로 가열했을 때 특정한 색깔의 빛을 낸다는 것을 증명했다. 이 빛을 프리즘으로 분석해보면 각 원소마다 특정한 개별 파장의 모양을 볼 수 있다. 이 새로운 연구 수단을 적용해 그들은 세슘(1860)과 루비듐(1861)의 2가지 새로운 원소를 발견했다. 그는 스펙트럼 분석을 태양의 조성을 연구하는 데도 적용했다. 빛이 기체를 통과할 때 그 기체가 가열되면 방출하던 파장의 빛을 흡수한다는 사실을 발견했으며, 이 원리를 이용해 태양 스펙트럼에서의 많은 암흑선(프라운호퍼 선)을 설명했다. 이 발견은 천문학의 새로운 시대를 여는 것이었다. 1875년 베를린대학교의 수리물리학교수로 임명되었다. 그의 출판된 저술 중 주목할 만한 것으로는 〈수리물리학 강의 Vorlesungen über mathematische Physik〉(4권, 1876~94)·〈에세이 모음집 Gesammelte Abhandlungen〉(1882, 증보판 1891) 등이 있다.