Gunnar Holmsen foretok i årene 1908–1919 geologisk kartlegging av flere områder i Nord-Norge og Trøndelag. I årene 1908, 1909 og 1912 reiste Holmsen på en ekspedisjon til Spitsbergen, hvor han gjorde viktige fysisk-geografiske studier over ørkendannelser i polarstrøk, jordbotnsis og jordflytting (solifluksjon). Resultatene ble lagt frem i flere avhandlinger, som (Norsk Geogr. Selsk. Arb. XXV), som ham i 1914 fikk doktorgrad for. Et viktig samleverk er (Kra. 1911, også publi­sert på tysk).