Az Utrechti Állami Egyetemen tanult, 1875-ben a Leideni Obszervatórium munkatársa lett. 1877-ben a Groningeni Állami Egyetem csillagászat- és elméletimechanika-professzorává választották.
Nem Kapteyn használt először fényképészeti
módszereket a csillagászatban, de széles körű
felkészültsége és szervezőképessége
révén a technika fejlődésének kulcsszereplőjévé
vált. Sir David Gillnek a Jóreménység fokánál
készített fotólemezein végzett a csillagok
helyzetére vonatkozó méréseket, s ezeket felhasználva,
összeállította a Cape Photographic Durchmusterung
(CDP; 1896-1900) c. katalógust, ez kb. 454 000 déli
csillag adatait tartalmazza. Mintavételi rendszert dolgozott ki,
amellyel ha bizonyos kiválasztott kis területeken gondosan
megszámolják a csillagokat, ismeretek nyerhetők a
Tejút-galaxis szerkezetéről. Csillagok sokaságának
a mozgását tanulmányozva, felfedezte a csillagáramlás
jelenségét, vagyis hogy az egyes csillagoknak szomszédaik
átlagos mozgásához viszonyított mozgásai
nem véletlenszerűek, hanem két ellentétes térbeli
irány körül csoportosulnak. A Tejútrendszer csillagainak
távolságával, térbeli elrendeződésével
kapcsolatos sok későbbi vizsgálat az ő munkásságából
ered.