Passionné par l'histoire naturelle, il constitue une grande collection de spécimens grâce à des voyages dans les différentes régions norvégiennes, notamment au centre et au nord. Il fait paraître en 1765 la première description scientifique du requin pèlerin sous le nom de Squalus maximus.
 
    Il est le premier à étudier la flore de Norvège. Il contribue également à l'essor de l'ornithologie de son pays.

    Gunnerus est le premier à expliquer les aurores polaires par l'action du soleil et qu'il existe également des aurores autour de la lune, de Vénus et de Mercure.