Sars stosował specjalny podbierak opracowany przez Otto Friedricha Müllera (1730–1784), który można było ciągnąć po dnie morskim, zbierając znajdujące się tam okazy fauny. Pozwoliło mu to na odłowienie wielu nieznanych dotychczas morskich gatunków głębinowych. Jako pierwszy odnotował występowanie liliowców – w 1864 roku jego syn Georg odłowił u wybrzeży Lofotów okaz liliowca Rhizocrinus lofotensis, a w 1868 roku Sars opisał znalezisko, wzbudzając szerokie zainteresowanie głębinową fauną i florą w procesie poszukiwania dowodów ewolucji. Nazwał ponad 250 gatunków zwierząt.
Wraz z synem Georgiem pracował na rzecz obalenia ówczesnej teorii o abiotycznej strefie oceanicznej, propagowanej przez brytyjskiego zoologa Edwarda Forbes’a (1815–1854), który uważał, że na głębokości poniżej 2000 stóp nie ma żadnego życia.
Uznanie przyniosło mu odkrycie, że wiele organizmów morskich, które wcześniej uważano za odrębne gatunki, to w rzeczywistości stadia larwalne znanych wcześniej zwierząt, takich jak meduzy, rozgwiazdy czy mięczaki.
Sprawował funkcję sekretarza generalnego Videnskabs-Selskabet i Christiania (współczesnej Norweskiej Akademii Nauk i Literatury (norw. Det Norske Videnskaps-Akademi)).