Zusammen mit Niels Bohr und John C. Slater veröffentlichte er die Arbeit «The quantum theory of radiation»[3] (BKS-Theorie), in der die strenge Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes in der Quantentheorie in Frage gestellt wurde, um die Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes mit den Vorstellungen der älteren Quantentheorie in Übereinstimmung zu bringen. Wenig später wurde die Theorie allerdings durch Experimente widerlegt. Kramers ist durch viele Beiträge zur theoretischen Physik bekannt, was sich unter anderem in den Benennungen WKB-Näherung, Kramers-Kronig-Relation und Kramers-Theorem ausdrückt.
1926 wurde er Professor für Theoretische Physik an der Universität Utrecht, wo er unter anderem einen speziellen Formalismus für die Theorie der Multiplettstruktur der Spektren entwickelte (1930). 1934 erfolgte dann ein Ruf an die Universität Leiden, wo er Nachfolger von Paul Ehrenfest wurde.