Han er internasjonalt kjent for å ha utviklet Blytt-Sernanders klimavekslingsteori. Han var også den første som klart formulerte overvintringsteorien, der det hevdes at noen fjellplanter i de skandinaviske fjellene overlevde siste istid i lokale refugier. Sernander var en av dem som inspirerte Lennart von Post til å utvikle pollenanalyse.