Meðan á námi stóð í Stokkhólmi var Sigurður flest sumur fram að stríði heima á Íslandi við rannsóknir og lagði þá drög að mörgu því sem hann átti eftir að afreka um dagana. Hann kannaði ummerki Grímsvatnagoss og Skeiðarárshlaups 1934, Dalvíkurjarðskjálftans í júní sama ár, byrjaði að kortleggja öskulög í jarðvegi ásamt Hákoni Bjarnasyni og birti greinina „Mýrarnar tala“ í Náttúrufræðingnum 1934 — þar lýsti hann meðal annars fyrirætlun sinni að rekja gróðurfarssögu landsins í 10.000 ár út frá frjókornum í jarðvegi. Sumrin 1936-38 var hann við mælingar á Vatnajökli á vegum sænsk-íslensks jöklafræðiátaks undir stjórn Jóns Eyþórssonar og Hans Ahlmann, og 1939 tók hann þátt í fornleifauppgreftri í Þjórsárdal sem varð uppistaða doktorsritgerðar hans 1944 – „Tefrokronologiska studier på Island“ (Gjóskulagarannsóknir á Íslandi). Þetta var í fyrsta sinn sem gjóskulagafræði var notuð til að aldurssetja fornminjar, og byggð í Þjórsárdal reyndist vera „læst“ milli tveggja gjóskulaga, hún hófst skömmu eftir að „landnámslagið“ (nefnt VIIa og b) féll og eyddist af Hekluösku frá 1104. Við landnámslagið, sem nú er vitað að féll um 871, urðu stórfelldar gróðurfarsbreytingar sem raktar voru til landnámsins, og í Þjórsárdal sýndi Sigurður með hjálp frjókornarannsókna hvernig birki hnignaði skyndilega kringum bæi en grös, korn, krydd- og lækningajurtir komu í staðinn.

Á stríðsárunum var Sigurður í Svíþjóð og lauk doktorsgráðu sinni frá Stokkhólmsháskóla 1944 sem fyrr sagði. Heim kom hann árið 1945 og tók þá aftur til við rannsóknir á Vatnajökli og Grímsvötnum. En Heklugosið mikla 1947-48 blés nýjum krafti í eldfjallarannsóknir hans og gjóskulagafræði. Hann var einn þriggja ritstjóra sex binda ritsafns um gosið og 1968 kom út bók hans Heklueldar þar sem saga Heklugosa er rakin 6000 ár aftur í tímann. Meðal annarra eldstöðva sem hann rannsakaði ítarlega og skrifaði um merk rit eru Katla, Grímsvötn og Öræfajökull; jafnframt fylgdist hann með og skrifaði um öll eldgos sem urðu á landinu frá 1947 til dánardægurs 1983. Á fjórða áratugnum hafði Sigurður eytt þremur sumrum við mælingar á Vatnajökli og vöktu ritgerðir þeirra Ahlmanns, Jóns Eyþórssonar og Sigurðar um þær rannsóknir mikla athygli jöklafræðinga. Jafnframt fjölluðu prófritgerðir Sigurðar í Stokkhólmi 1939 um jökla- og jöklajarðfræðileg efni. Og samskipti hans við jöklana héldu áfram til dauðadags: Árið 1950 stofnaði Jón Eyþórsson Jöklarannsóknafélagið, og að honum gengnum tók Sigurður við formennsku félagsins árið 1969. Á vegum félagsins stjórnaði hann á annan tug rannsóknaleiðangra á Vatnajökul og skrifaði yfir 50 greinar um jöklafræðileg efni.

Þótt Sigurður væri þekktastur alþjóðlega sem eldfjalla- og jöklafræðingur, kom hann víða við — sjálfur sagðist hann vera kunnastur hér heima fyrir söngtexta sína, sem sumir eru enn þá á hvers manns vörum. Þó ber að nefna hér að Sigurður má teljast meðal frumkvöðla náttúruverndar á Íslandi, enda samdi hann við annan mann fyrstu náttúruverndarlögin (1956). Sigurður var forstöðumaður land- og jarðfræðideildar Náttúrugripasafnsins frá 1947 til 1968 þegar hann gerðist prófessor í land- og jarðfræði við nýstofnaða raunvísindadeild Háskóla Íslands. Ítarefni:
- Þorleifur Einarsson. Á sjötugsafmæli Sigurðar Þórarinssonar. Eldur er í norðri. Afmælisrit helgað Sigurði Þórarinssyni sjötugum 8. janúar 1982, s. IX-XV. Sögufélag, Reykjavík 1982.
- Sigurður Steinþórsson. Sigurður Þórarinsson 1912-1983. Andvari 110, s. 5-53. Reykjavík 1985.
- Mynd af Sigurði: Úr safni Svens Þ. Sigurðssonar.
- Mynd af öskulögum: Þorleifur Einarsson. Í: Þorleifur Einarsson. 1991. Myndun og mótun lands. Reykjavík, Mál og menning, bls. 267.
- Kort af dreifingu öskulags: Sigurður Þórarinsson 1961. Í Þorleifur Einarsson. 1991. Myndun og mótun lands. Reykjavík, Mál og menning, bls. 266.