Начав работать в Лейдене в небольшой лаборатории, Камерлинг-Оннес в течение нескольких лет реорганизовал ее и построил высокопроизводительную установку для ожижения этилена, кислорода и водорода. В 1911–1913 открыл явление сверхпроводимости ртути, затем олова, свинца, таллия и других элементов при температуре жидкого гелия. В 1913 обнаружил исчезновение сверхпроводимости под влиянием сильных магнитных полей и токов. В 1924 проиллюстрировал возникновение незатухающего тока в кольце из двух контактирующих сверхпроводников. Предложил использовать обмотку из сверхпроводящих материалов для создания мощных магнитных полей. Камерлинг-Оннес проводил также термодинамические исследования, в частности построил диаграмму свободной энергии для бинарных смесей, исследовал состояния одно- и двухатомных газов и жидкостей при низких температурах. Умер Камерлинг-Оннес в Лейдене 21 февраля 1926.