Su tesis doctoral, Bidrag hasta kännedomen om de histologiska förändringarna me ryggmärgen, de spinala rötterna och ganglierna vid progressiv paralysi (Contribución al conocimiento de los cambios histológicos en la médula espinal, la médula espinal, las raíces y en los ganglios de la parálisis progresiva), trataba las condiciones histológicas normal y en condiciones patológicas, y demostró la relación entre la parálisis y el daño de la médula espinal.
Sus primeros trabajos científicos incluyen Till kännedomen om de efter amputationer uppkommande förändringarna me nervsystemet med speciell hänsyn hasta de spinokutana neuronerna' (en Finska läkaresällskapets Handlingar, 1897) y "Zur Kenntniss der Entwickelungsstörungen der Spinalganglienzellen bei hereditär-luetischen missbildeten und anscheinend normalen neugeborenen' (en Zeitschrift für Nervenheilkunde, 1901).
La investigación en Berlín, 1902 a 1905 dio lugar a 'Zur Kenntniss der Gehirnerkrankungen nach Kohlenoxydvergiftung' (en Zeitschrift für klinische Medicin, 1903) y "Die psychischen Störungen nach akuter Kohlenoxydvergiftung' (en Monatsschrift für Psychiatrie und Neurologie, 1905).
Al igual que su hermano mayor, el célebre compositor Jean Sibelius, fue un talentoso músico de cámara (violonchelista), y de joven tocaban juntos.
Sibelius se casó con la escritora Kaino Ihanelma (Nelma) Swan(1878-1970), y tuvieron cuatro hijos.