I Kristiania startet Esmark meteorologiske målinger, og fortsatte sin kartlegging av geologien i området rundt. Ved Haukalivatnet ved Forsand ved Lysefjorden ligger en endemorene (kalt Vassryggen) som omkring år 1823 inspirerte ham til å fremsette teorien om at hele Skandinavia hadde vært dekket av is. Inspirasjonen skjedde trolig da han sammen med reisefølget Otto Tank la merke til at morenen i Forsand nær sjønivå lignet morenen etterlatt av Rauddalsbreen (nordlig utløper av Jostedalsbreen) som da hadde trukket seg tilbake etter den lille istid. Påvisningen av istiden i Norge var en stor naturhistorisk oppdagelse som var lite kjent i samtiden. Det krevde stor forestillingsevne å se for seg at landet for noen tusen år siden hadde vært dekket av flere hundre meter tykk is. Oppdagelsen ble i 1823 presentert i en generell artikkel med tittel «Bidrag til vår jordklodes historie» og poenget om isbreen ble presentert på en knapp måte. Artikkelen ble ikke oversatt til fransk eller tysk og Esmark var beskjeden. Sveitsiske Louis Agassiz og norske Theodor Kjerulf fikk mye av æren for oppdagelsen.