1878-ban nevezték ki a Leideni Egyetem matematikai fizika professzorává. Doktori értekezésében 1875-ben továbbfejlesztette az angol James C. Maxwell elektromágneses elméletét, így az sokkal kielégítőbb magyarázatot adott a fényvisszaverődésre és a fénytörésre. A fizika sok ága foglalkoztatta, de fő célja egy olyan elmélet létrehozása volt, amely megmagyarázza az elektromosság, a mágnesség és a fény kapcsolatát. Maxwell elmélete szerint az elektromágneses sugárzást a rezgő elektromos töltések keltik, de a fényt keltő töltések nem voltak ismertek. Lorentz ezért arra gondolt, hogy az anyag atomjai is töltött részecskékből állhatnak, és ezek az atom belsejében levő töltött részecskék lehetnek a fény forrásai. Ha ez igaz, akkor az erős mágneses térnek hatnia kell a rezgésekre, és ezen keresztül az így keletkezett fény hullámhosszára. 1896-ban Zeeman, Lorentz tanítványa igazolta ennek a jelenségnek a létezését, ez ma Zeeman-effektus néven ismert. Munkájukért 1902-ben Nobel-díjat kaptak.