Han hadde også fra 1889 vært deltidsansatt ved Norges geologiske undersøkelse (NGU), mottok universitetsstipendium i 1891 for et studieopphold i Sverige, og mottok i 1894 et statsstipendium for å studere geologiske samlinger i Danmark, Tyskland, Sveits og England. Bjørlykke vant i 1894 H.K.H. Kronprinsens gullmedalje for avhandlingen , og ble i 1897 ansatt som fast geolog ved NGU. I 1898 mottok han nok et statsstipendium, denne gang for å studere undervisningen ved utenlandske læresteder i geologi og zoologi.