Brøgger som mineralog
I norsk berggrunn fant Brøgger en overflod av spektakulære og sjeldne bergarter og mineraler som kunne måle seg med det mest spennende fra Europa og Amerika. De var derved viktige bidrag til å styrke norsk selvfølelse og identitet, i en tid da unionsoppløsning med Sverige var et aktuelt tema.
Gjennom Kjerulf hang Norge med i utviklingen av de nyeste analysemetoder for mineraler og bergarter og ved studieopphold i Bonn og Strasbourg, hadde Brøgger arbeidet med mineralogen Paul Groth og petrografen Harry Rosenbusch. Han var derfor vel oppmerksom på betydningen av fysiske og kjemiske metoder i studiet av mineraler og bergarter. Som professor i Stockholm gikk Brøgger systematisk igjennom det unike norske materiale som fantes i samlingene der. Karakteristisk er følgende gjengivelse i tysk oversettelse fra "Syenitpegmatitgänge" (1890):
Under en undersøkelse ved Riksmuseet (Stockholm) av prøver fra våre ganger, befant det seg en gammel stuff med tysk etikett som stammet fra mineralhandler Wiborg i Brevik. Etiketten lød: Radiolitt (natrolitt), Brevik i Norge. Nærmere undersøkelser viste at her, sammen med et betydelig antall andre minerale,) forelå et nytt mineral. Dette vil jeg kalle rosenbuchitt etter min høyt ærede venn Professor Dr. H. Rosenbusch.
Monografien om mineralene fra syenittpegmatittene i Oslofeltet ble sammenskrevet og publisert i forbindelse med Brøggers skifte fra professoratstilling i Stockholm til Christiania, der han overtok etter Kjerulfs død. Dette hans første store og berømte mineralogiske arbeide på systematisk og genetisk mineralogi, har mer enn noe annet skaffet Brøgger verdensry. Det står som et høydepunkt i hans forskning og er fortsatt standardreferansen på Langesundfjordens mineraler på grunn av den detaljerte undersøkelser av samtlige mineraler og deres dannelsesrekkefølge, knyttet opp mot kvantitative kjemiske sammensetninger.
Kartlegging av ressurser som feltspat, apatitt og kvarts, var viktige i prosessen med å etablere et selvhjulpent Norge i tiden rundt unionsoppløsningen. I forbindelse med disse arbeidene publiserte Brøgger mineraler og mineralforekomster på Sørlandet og i Østfold. Tilsammen beskrev han over 20 nye mineraler, hvorav ni er separate mineralspecies i dag, mens resten regnes som varianter av andre mineraler.
Brøgger som petrolog
Mye av Brøggers berggrunnsgeologiske arbeider er konsentrert om Christianiafeltet, senere Oslofeltet, som han jobbet med i mer enn 60 år. Dets enorme og fargerike mangfold av magmatiske dypbergarter, gangbergarter og lavaer var allerede beskrevet, men han var den første til å gi systematiske petrografiske, petrologiske og tektoniske beskrivelser, inklusive detaljerte mikroskopi beskrivelser. Hans komplekse klassifisering innebar en rekke nye bergartsnavn som akeritt, groruditt, tønsbergitt, larvikttt og lardalitt (hvorav ingen lenger er offisielle bergartsnavn). Konklusjonen var at (mange av) bergartene var nær forbundet ved et felles "stammagma" og danner en kontinuerlig kjemisk serie (differensiasjonslæren, ikke ulikt utviklingslæren). Innbyrdes slektskapsforhold avsløres ved kjemisk/mineralogisk fellestrekk, som for eksempel et høyt natrium-innhold, spesiell feltspat. Han nærmet seg derved helt fundamentale og generelle spørsmål om dannelse av smeltebergarter.
I Oslofeltets bergarter så Brøgger en mulighet til å overføre darwinismens biologiske prinsipper om utvikling fra felles opphav til et mangfold. Selv om noen av ideene var blindspor, så var stort sett en vellykket innfallsvinkel og bidro til at berggrunnsgeologi utviklet seg fra et deskriptiv fag, i retning av en forståelse av geologi som et dynamisk fag styrt av prosesser.
Hovedresultatene av de petrografiske undersøkelsene er publisert i perioden 1894 til 1933 i syv store monografier i Det Norske Videnskaps-akademis skrifter. Den siste av disse inneholder hele 331 kvantitative analyser av intrusivene. Hans arbeider satte Oslo-området på det geologiske verdenskartet og medførte et internasjonalt forskningsfelt på alkaline bergarter.
Brøgger var i høyeste grad også en feltgeolog, og en nitid, detaljert kartlegging av Oslofeltet sammen med Jakob Schetlig, førte til publikasjon av en serie kartblad i 1:100 00 skala: Gran, Hønefoss, Nannestad, Oslo, Fett, Kongsberg, Flesberg, Moss, Tønsberg, Moss, samt Gjøvik og Hurdalen. I 1923 ble det dessuten gitt ut et oversiktskart over Oslo-området i 1:250 000 skala (Brøgger & Schetlig, 1923).
Fensefeltet: et nytt forskningsfelt på Brøggers gamle dager
Brøgger ble introdusert til karbonatittene i Fensfeltet av Goldschmidt og Carl Bugge i 1918. Med disse bergartene skapte Brøgger et helt nytt forskningsfelt på sine gamle dager. Ingen hadde tidligere forstått at "kalksteiner" kunne dannes ved magmatiske prosesser, men Brøgger dokumenterte det ut fra feltobservasjoner og geokjemiske data. Dette var uhyre radikale ideer helt i strid med rådende teori, og ble vel ikke fullt ut akseptert før omkring 1960, 40 år etter at han hadde publisert sitt arbeid om Fensfeltet.
I tråd med Brøggers ånd ble de nyoppdagede magmatiske karbonatbergartene gitt navn som rauhaugitt, søvitt, fenitt, damtjernitt og melteigitt, til alle gårdsnavn i dette lille lokalområdet var brukt opp.