Arkæologi
I 1875 blev han ansat som assistent ved Universitetets Oldsaksamling, en stilling han beholdt til sin død. På det tidspunkt havde han allerede været på sin første udenlandsrejse. Senere fik han mulighed for flere rejser rundt i Europa, og han opnåede efterhånden en særlig status som internationalisten inden for norsk arkæologi.
Dette afspejles i doktorafhandlingen Jernalderens begyndelse i Nord-Europa, hvor han sammenfattede datidens samlede viden på området. Afhandlingen blev udgivet på tysk i 1881 og gjorde ham berømt i fagmiljøer over hele Europa, og han blev medlem af flere nationale videnskabelige selskaber. Undset modtog herefter statsstøtte til flere studierejser frem til 1884.
Han boede i en periode i Rom, hvor han studerede romersk arkæologi og blev en del af det skandinaviske miljø dér. Her skal ægteparret Undset have mødt berømtheder som Henrik Ibsen og Franz Liszt. Efter opholdet i Rom boede de en periode i Kalundborg i Danmark, før han og familien vendte tilbage til Kristiania i 1884.
Derefter var han meget aktiv som foredragsholder og videnskabelig forfatter, og han modtog en årlig bevilling fra Stortinget ud over sin løn fra Oldsaksamlingen. Hans publikationsliste omfatter hele 154 titler og spænder over både nordisk og europæisk forhistorie. Hans sidste værk blev monografien Fra Akershus til Akropolis, som kan siges at opsummere hans korte, men intense forskerkarriere.
Under opholdet i Rom pådrog Undset sig en alvorlig kronisk sygdom. Hvilken sygdom der var tale om, er uklart; både malaria og tyfus er blevet foreslået. Resultatet var imidlertid et stadigt svækkende helbred. Familien måtte hele tiden flytte tættere på universitetet, for at han kunne holde forbindelsen til sin arbejdsplads. Samtidig fik de stadig dårligere økonomi, hvilket afspejlede sig i boligstandarden. Dette er levende skildret af datteren Sigrid i bogen Elleve aar. Her findes også hendes skildring af farens død.
