Végzése után, 1908–1909 között az Ampelológiai Intézetben, majd Selmecbányán a Bányászati és Erdészeti Főiskolán dolgozott tanársegédként. 1909-ben, pályája kezdetén már részt vett a budapesti Nemzetközi Geológiai Konferencia határozata alapján megindult országos térképezésben. Az ekkor készült felvételei alapul szolgáltak az ország klimazonális talajtérképéhez. Munkája során az agrogeológiai szemléletet a részletes kémiai anyagvizsgálattal ötvözte, ez később a magyar talajtan jellemzőjévé vált.
1910-ben a Magyar Állami Földtani Intézet Agrogeológiai Osztályára nevezték ki. Ezzel a kinevezéssel pályája összekapcsolódott a magyar agrogeológia és talajtan rohamos fejlődésével és nemzetközi elismerésével. Ő volt egyik létrehozója a Talajtani Intézetnek, ahol igazgatóhelyettessé nevezték ki.
1946–1949 között, nyugdíjazásáig az Agrártudományi Egyetem talajtani tanszékének tanára, majd a Magyar Tudományos Akadémia Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézetének munkatársa volt, majd 1949–1963 között a budapesti tudományegyetem meghívott előadója volt.
Ballenegger Róbert mindvégig a térképezés irányítója maradt, de érdeklődése szorosan a mezőgazdasági témák felé irányult. 1944-ben, 1953-ban és 1962-ben megjelent talajvizsgálati módszerkönyvei máig a talajvizsgálatok vezérfonalai.
Tudományos munkásságáért számos elismerést kapott. Tagja volt az Állandó Központi Talajjavító Bizottságnak, a Magyar Tudományos Akadémia Talajtani és agrokémiai bizottságának több éven át elnöke volt. Meghívott vendégprofesszor volt az USA-ban és Franciaországban, mint nemzetközi hírű tudós. Kétszáznál több közleményét és könyvét a talajtan, a földtan, a kémia és a földrajz tárgykörében írta.
Munkásságáért a Kertészeti Egyetem „doctor honoris causa” címmel tüntette ki.
.svg){kind=small}