Elkem ble etablert i 1904 for å utnytte norsk vannkraft i industriell sammenheng. Den drivende kraft bak opprettelsen var Sam Eyde. Den første saken han begynte med var kvelestoffsaken. Da dette prosjektet kom frem til en visst stadie, ble det naturlig å skille prosjektet ut i form av et eget selskap, Norsk Hydro.

Dette skulle etter hvert vise seg å bli en vanlig måte for Elkem å jobbe på. Bedriften definerte seg som en innovasjonsbedrift med det formål å få etablert nye bedrifter på det kraftkrevende område. Bedriften bygget opp et forskningsmiljø på det elektrokjemiske og elektrometallurgiske område. Finansielt representerte også Elkem noe spesielt idet de kom til å operere som et ventureselskap (norges første). Fortjenesten tok de inn ved salg av aksjer i de selskaper som var blitt ført frem til lønnsom drift. Elkem lyktes således for en tid å fungere som en forskningsbasert innovasjonsbedrift. Situasjonen under 1. verdenskrig med høykonjunktur og tekniske utfordringer på grunn av råstoffmangel synes å ha vært gunstig for Elkem.

I 1922 lyktes det Elkem å tilpasse Søderberg - elektroden til elektrolytisk fremstilling av aluminium. Elektroden ble det sentrale elementet i fremstillingen av Tyskland - Hole - ovnen for elektronisk smelting av råjern, og den første Tyskland - Hole - ovnen kom i drift ved Christiania Spikerverk i 1925. Elektroden regnes forøvrig som et av de mest vellykkede forskningsbaserte innovasjoner i norsk industrihistorie. Rettigheten til å benytte seg av elektroden ble solgt over hele verden og var i mange år Elkem sin finansielle basis.

Norsk Hydro ble etablert i 1905 av Elkem ved hjelp av utenlandsk kapital, og etableringen ble raskt et synlig eksempel på vitenskapens potensial. Hydro var de  første som klarte å fremstille en kommersiell utnyttbar metode for å binde luftens kvelestoff, en teknologi som ble brukt for å fremstille kunstgjødsel. Det skulle imidlertid raskt vise seg at Hydros metode for å binde luftens kvelestoff ville møte konkurranse, og når freden etter 1. verdenskrig kom viste det seg at tyskerne lå langt foran på dette området. Hydro valgte å satse på en offensiv strategi, og etablerte et større forskningslaboratorium i 1919 for å ta igjen tyskernes forsprang. Det viste seg imidlertid at satsingen var forgjeves. I 1927 måtte Hydro strekke våten og inngå avtale med I.G. Farbenindustrie som hadde Haber - Bosch - patentet. I.G. Fabenindustrie kom inn med en eierandel på 25% i Hydro, og Hydro fikk i oppdrag å produsere I.G. Fabenindustries patenter og selge dem gjennom I.G. Gabenindustries salgsorganisasjon.

I 1930 ble det dannet et kvelestoffkartell, DEN (Deutschland - England - Norwegen), som delte verdensmarkedet mellom seg. Den viktigste grunnen til at kartellet ble opprettet var at I.G. Fabenindustrie ønskte å dominere bransjen ved å beholde og videreutvikle det vitenskapelig - tekniske forsprang man hadde. Det lyktes de med. Hydros forskningslaboratorium ble av samme grunn nedlagt, og forskningen ble innskrenket til produksjonær forskning og flyttet til produksjonsstedet.