Первые работы Стрёмгрена посвящены диффузным галактическим туманностям. Он обнаружил, что многие из них содержат полностью ионизованный водород, и построил теорию, согласно которой за ионизацию ответственно излучение горячих звезд, погруженных в эти туманности (1939). Кроме того, Стрёмгрен доказал, что ионизованный водород сконцентрирован внутри строго определенных областей вокруг звезд (сферы Стрёмгрена), а вне этих областей нейтрален. В 1951 ученый приступил к осуществлению программы классификации спектров звезд поздних спектральных классов, основанной на фотоэлектрических измерениях в определенных узких спектральных участках с применением интерференционных фильтров.

Занимаясь изучением внутреннего строения звезд, Стрёмгрен построил первые модели солнечной атмосферы и использовал их для определения химического состава наружных слоев Солнца (1940). Одним из первых применил результаты, полученные в ядерной физике, к теории звездной эволюции: показал, что в связи с исчерпанием водорода в недрах звезды она должна перемещаться от главной последовательности к ветви гигантов, причем наклон эволюционного трека зависит от содержания водорода в недрах звезды.

В 1948–1952 Стрёмгрен был генеральным секретарем Международного астрономического союза, в 1970–1973 – его президентом.

Умер Стрёмгрен в Копенгагене 4 июля 1987.