Dempster sok nuklidot fedezett fel, köztük az atombombákban felhasznált ²³⁵uránt. 1918-ban építette az első tömegspektrométert, majd 1936-ban az amerikai Kenneth T. Bainbridge és az osztrák J. H. E. Mattauch társaságában kifejlesztette a kettősfokuszálású tömegspektrográfot; ezt atommagok tömegének mérésére alkalmazzák. Ezután csaknem minden idejét a tömegspektrometriai eljárások fejlesztésére fordította.