Se graduó magna cum laude en 1924 y recibió su título de Licenciado en Ciencias (SB) en ingeniería eléctrica.

[3]​ Allí escribió o coescribió cuatro artículos, en francés, sobre temas como las propiedades paramagnéticas del cianuro de potasio y el momento magnético de los iones Cu++.

Él determinó esto como 1460±20 °C y 1640±50 kg/cm2, resultados que publicó en 1932 en la Physical Review.

Luego se le ofreció el puesto a Birch, que tampoco tenía mucho interés o experiencia en geología, pero con la llegada de la Gran Depresión, era difícil encontrar trabajo y aceptó.

[6]​[7]​ El 15 de julio de 1933, se casó con Barbara Channing, exalumna del Bryn Mawr College y descendiente colateral del teólogo William Ellery Channing.

Tuvieron tres hijos: Anne Campaspe, Francis (Frank) Sylvanus y Mary Narcissa.

Al año siguiente aceptó una comisión en la Armada de los Estados Unidos como teniente comandante y fue destinado a la Oficina de Buques en Washington D. C.[10]​ Más tarde ese año fue asignado al Proyecto Manhattan y se mudó con su familia a Los Álamos, Nuevo México.

Inicialmente el objetivo de la División O era diseñar un arma nuclear tipo pistola conocida como Thin Man.

Esto resultó poco práctico debido a la contaminación del plutonio generado en el reactor con plutonio-240, y en febrero de 1944, la división centró su atención en el desarrollo del Little Boy, un dispositivo más pequeño que utilizaba uranio-235.

[11]​ Supervisó la fabricación del Little Boy y fue a Tinian para supervisar su ensamblaje y cargarlo en Enola Gay, el Boeing B-29 Superfortress encargado de lanzar la bomba.

[15]​ Es conocido por su trabajo experimental sobre las propiedades de los minerales que forman la tierra a alta presión y temperatura, en 1952 publicó un conocido artículo en el Journal of Geophysical Research, donde demostró que el manto está compuesto principalmente de silicato.

como:[17]​[18]​ Esta relación pasó a ser conocida como ley de Birch.