Kapteyn gaf op jeugdige leeftijd al blijk van een grote interesse in natuurkunde en toen hij 17 jaar oud was ging hij in Utrecht wis- en natuurkunde studeren. Hij promoveerde in 1875 (Magna Cum Laude) op een proefschrift getiteld Onderzoek der trillende platte vliezen. In 1877 werd hij de eerste hoogleraar sterrenkunde en theoretische mechanica in Groningen.

Omdat hij in Groningen geen observatorium kon realiseren zocht hij contact met de sterrenwacht in Kaapstad. Samen met directeur David Gill, stelde hij een catalogus (onder de naam The Cape Photographie Durchmusterung for the equinox 1875) samen van meer dan 450.000 sterren aan het zuidelijk halfrond.

Kapteyn kreeg verder bekendheid vanwege zijn studie naar de eigen beweging van sterren en ontdekte dat er twee stromen, tegengesteld aan elkaar, waren. Dit was de basis voor het bewijs dat de melkweg roteert, dit bewijs werd uitgewerkt door Bertil Lindblad en Jan Hendrik Oort. In 1897 ontdekte Kapteyn een rode dwergster op een afstand van 12,8 lichtjaar, met een zeer grote eigen beweging. Die ster werd naar hem vernoemd: de Ster van Kapteyn.

Om de Melkweg goed in kaart te brengen lanceerde hij in 1906 zijn Plan of Selected Areas. Daarin stelde hij voor om de sterrenhemel te verdelen in 206 gebieden plus 46 gebieden in het vlak van de Melkweg. Verschillende gebieden zouden dan bestudeerd worden door verschillende sterrenwachten over de hele wereld. Van de te bestuderen sterren zouden dan de magnitude, de eigen beweging, parallax en spectraal klasse bepaald worden. Dit plan werd enthousiast ontvangen en betekende de eerste belangrijke internationale astronomische samenwerking.

Vlak voor zijn dood verscheen de neerslag van zijn levenswerk onder de titel First attempt at a theory of the arrangement and motion of the sidereal system in het tijdschrift Astrophysical Journal. Hierin werden de resultaten van dit astrometrische onderzoek beschreven. De Melkweg werd hierin beschreven als een lensvormig stelsel, waarvan de dichtheid vanaf het centrum steeds minder werd. De omvang werd geschat op 40.000 lichtjaar, de afstand van de zon tot het centrum bedroeg zo'n 2000 lichtjaar. In het onderzoek werd echter geen rekening gehouden met de absorptie van het licht door interstellair stof. Om deze reden werd later de omvang vastgesteld op 100.000 lichtjaar en de afstand van de zon tot het centrum 30.000 lichtjaar.

Kapteyn was de grondlegger van de internationaal befaamde Nederlandse School van de astronomie van de melkweg. Het Kapteyn Instituut in Groningen is naar hem vernoemd. Evenals De Kapteyn Sterrenwacht in Roden, voorzien van een 40 cm. spiegel-telescoop en maakt onderdeel uit van de RUG.