Lorentz tanítványa volt a leideni egyetemen, 1890-től tartott előadásokat Leidenben. Hat évvel később, Lorentz javaslatára, a mágneses tér fényforrásra gyakorolt hatását vizsgálta. 1900-ban nevezték ki az Amszterdami Egyetem fizikaprofesszorává, 1908-ban bízták meg az egyetem fizikai intézetének vezetésével. 1902-ben Lorentz-cel megosztott fizikai Nobel-díjat kapott - mindjárt a díj kiosztásának második évében - "a mágneses térben lejátszódó sugárzási jelenségek vizsgálatáért". A róla elnevezett, Zeeman-effektust 1896-ban fedezte fel, amelynek lényege, hogy a mágneses térben az atomok színképvonalai felhasadnak. Ez az atomszerkezet megismerésének egyik jelentős lépése volt. Dolgozott az optikai és a mágneses műszerek tökéletesítésén is.