Arrhenius ble tidlig ansatt ved artilleriet og deltok med utmerkelse i felttoget i Finland i 1788. I 1801 ble han utnevnt til felttøymester og major ved Svea artilleriregiment. 1816 fikk han som stilling til å holde oppsikt over kruttproduksjonen i riket, en stilling som han innehadde til sin død. Sine kjemikunnskaper fikk han på Kungliga Myntets laboratorium, under ledelse av kjemikeren Petter Jakob Hjelm. Tilgangen til Bergskollegiets mineralsamling inspirerte ham til å studere mineralogi, som han alltid sysselsatte seg med i ledige stunder. Under sin forskning i denne vitenskap oppdaget han ved Ytterby gruve nær Vaxholm et nytt mineral, ytteritt, senere kjent under navnet gadolinitt. I dette mineralet oppdaget Johan Gadolin yttrium og Carl Gustaf Mosander senere erbiumoksid.
Arrhenius ble utpekt til å følge med Anders Sparrman på en offentlig bekostet bekostet reise til Senegal (1787-1788), men han vendte snart tilbake og bodde under tilbakereisen en tid i Paris. Han kom der i kontakt med den tidens fremste kjemikere og ble vunnet over til den reformbevegelsen innenfor kjemien, som begynte med Antoine Lavoisier (og som blant annet innebar avvising av flogistonteorien) og som hjemme i Carl Wilhelm Scheeles og Torbern Bergmans land ble betraktet som et fjernt og sannsynligvis snart undertrykt kjetteri. Arrhenius ble etter sin tilbakekomst en ivrig forkjemper for den nye kjemien. Etter at han i 1816 fratrådte tøymesterstillingen, jobbet han på Jacob Berzelius laboratorium og var alltid tilstede ved dennes forelesninger, helt inntil sykdommen, som til slutt førte til hans død, hindret ham å forlate sitt hjem.
Arrhenius hadde en stor interesse og anlegg for vitenskapelig forskning. Han sluttet aldri å beklage at han så tidlig måtte forlate studiene og ble kastet inn i det praktiske livets gjøremål. Han ble i 1799 utnevnt til medlem av Krigsmannasällskapet (senere kalt Krigsvetenskapsakademien) og ble i 1817 valgt inn i Vitenskapsakademiet. Han dels skrev, dels oversatte flere avhandlinger om salpeter- og kruttprobering, som finnes innført i Vitenskapsakademiets og Krigsvitenskapsakademiets skrifter. Han skrev selv en mineralanalytisk avhandling, som finnes innført i «Avhandlinger i fysikk, kjemi og mineralogi».
