Setelah lulus sebagai dokter tahun 1802, Berzelius semakin menekuni bidang kimia. Ia membantu profesor farmasi tanpa bayaran dan bahkan belajar membuat alat-alat gelas sendiri untuk eksperimen. Ia juga bekerja sebagai analis air mineral dan melakukan eksperimen penting dengan baterai untuk memisahkan senyawa garam ke dalam komponen dasarnya. Kerja sama ini menjadi awal dari banyak penemuan penting.
Pada tahun 1803, Berzelius menemukan unsur kimia baru bernama serium bersama rekannya, Hisinger. Penemuan ini diberi nama berdasarkan planet kerdil Ceres. Meski sudah menemukan unsur baru, kondisi ekonominya tetap sulit karena gaji sebagai dokter tidak mencukupi. Ia sempat jatuh miskin karena menjamin pinjaman untuk temannya yang kemudian bangkrut.
Pada usia 28 tahun, Berzelius diangkat menjadi profesor kimia di Karolinska Institute di Stockholm. Ia terus melakukan penelitian dan berhasil menemukan bahwa asam laktat, yang sebelumnya hanya ditemukan dalam susu, ternyata juga ada di otot manusia. Ini adalah temuan penting dalam bidang biokimia dan menunjukkan bahwa ia juga tertarik pada kimia dalam tubuh manusia.