V roce 1830 při studiu křehkosti a tažnosti oceli objevil nový chemický prvek, kterému dal název vanad. Vanad byl poprvé objeven v mexické olověné rudě španělsko-mexickýmmineralogem Andrésem Manuelem del Río v roce 1801, který ho pojmenoval erythronium. Německý chemik Friedrich Wöhler později potvrdil, že vanad a erythronium jsou jedna a tatáž látka.
Je po něm pojmenován ledovec Sefströmbreen a horský hřeben Sefströmkammen na Špicberkách.
VanadV roce 1830 Sefström objevil nový chemický prvek vanad při studiu křehkosti a tažnosti oceli. Pojmenoval ho po Vanadis - skandinávské bohyni krásy a mládí, neboť jeho sloučeniny se v roztocích vyznačují krásnými barvami. Sefström nevěděl, že tento prvek byl objeven v mexické olověné rudě již v roce 1801 španělským mineralogem Andrésem Manuelem del Río, který jej nazvala erythronium. Až německý chemik Friedrich Wöhler později potvrdil, že vanad a erythronium jsou tentýž prvek. V roce 1867 anglický chemik Henry Enfield Roscoe poprvé izoloval vanad vodíkovou redukcí chloridu vanadičného.
Sefström se také zabýval geologii a studoval díla německého geologa Carl Friedrich Naumanna (1797-1873), německo-baltského kvartérní geologa Wilhelm Nikolai Böhtlingka (1809-1841) a také švédského geologa Hampus von Posta (1822-1911).
Prováděl geologický výzkum o původu rýh, které se nacházejí v určitých směrech na skalách ve Skandinávii.
V geologii je považován za autora teorie oblázkové řeky.
V letech 1820-45 redigoval AnályJernkontoret a napsal několik menších pojednání pro Jernkontoret, což bylo a dosud je švédské sdružení výrobců železa a oceli.
Nils Gabriel Sefström: O vanadu, novém kovu, 1831
Nils Gabriel Sefström, Jöns Jacob Berzelius: Výzkum rýh přítomných v určitém směru na skalách Skandinávie a jejich pravděpodobný původ, 1836
Nils Gabriel Sefström: Zkoumání rýh, jimiž jsou hory Skandinávie rozbrázděny v určitých směrech, a jejich pravděpodobného původu, 1837