Unos años después, en 1901, comenzó su labor docente en la universidad, pero no fue hasta 1912 cuando pasó a ser profesor de física, después de que Christian Christiansen (1843-1917) se retirara.
Knudsen es muy conocido por su trabajo en la teoría cinética molecular y acerca de los fenómenos en gases a baja presión.
Participó en la primera, la segunda, la tercera y la quinta Conferencias Solvay.
Asimismo, Knudsen fue un científico muy activo en la oceanografía física, pues desarrolló métodos para definir las propiedades del agua marina.
En relación con este campo fue editor de Hydrological Tables (Copenhague-Londres, 1901).