Desarrolló distintas fórmulas matemáticas para describir fenómenos tales como la relación entre la refracción de la luz y la densidad de una sustancia transparente pura, y la relación entre la conductividad térmica y eléctrica de un metal y la temperatura (Ley de la conductividad de Wiedemann-Franz).

Desde 1887, sus investigaciones fueron financiadas por la Carlsberg Foundation.

La fórmula de la relación matemática entre el índex refractivo y la densidad de un medio fue publicada por Lorenz en 1869 y por Hendrik Lorentz (que la descubrió de forma independiente) en 1870, de ahí que se denomine ecuación de Lorentz-Lorenz.

Utilizando su teoría electromagnética de la luz estableció lo que se conoce como la condición gauge de Lorenz, y consiguió derivar el valor correcto de la velocidad de la luz.

Fue más tarde redescubierta por Gustav Mie en 1908, por lo que en ocasiones es denominada como teoría de Lorenz-Mie.