Jest głównym autorem Bibliography of California Ornithology oraz kompleksowych, aktualizowanych opracowań na temat geograficznego rozmieszczenia populacji ptaków i ssaków Kalifornii (The Game Birds of California i The Fur-Bearing Mammals of California). Wyniki obserwacji analizował m.in. pod kątem zmian rozmieszczenia i liczebności wraz ze zmianami klimatu. Pozwoliły sformułować pojęcie „niszy” (ang. niche) gatunku, które zostało przez niego wprowadzone do piśmiennictwa w roku 1917, i podjąć badania w dziedzinie zwanej obecnie ekologią ewolucyjną. Koncepcja niszy była związana z rozmieszczeniem populacji. Niszą nazywał Grinnell część siedliska gatunku (zob. habitat, zasięg), przede wszystkim komplet właściwych czynników abiotycznychZnaczenie wprowadzonego przez Josepha Grinnella pojęcia „nisza” ulegało zmianom. Według Eugene Oduma „nisza grinnellowska” była „adresem” gatunku, a „nisza eltonowska” – jego „zawodem” w określonym ekosystemie. Współczesne znaczenie pojęcia „nisza ekologiczna” jest wynikiem połączenia obu koncepcji (nisza n-wymiarowa, G. Evelyn Hutchinson 1957)..