[2]​ Tras finalizar sus estudios secundarios, en 1883 se instaló en Delft donde estudió lenguas clásicas, un requisito indispensable para poder ser admitido en la universidad en aquellos momentos.

En el año 1890 consiguió licenciarse y se convirtió en asistente de Lorentz.

En esta nueva posición continuó sus trabajos sobre la influencia del magnetismo, abriendo nuevos campos de estudio para la Teoría de la Relatividad Especial planteada por Albert Einstein y sobre la espectrometría de masas.

En 1896 descubrió que las líneas espectrales de una fuente luminosa sometidas a un campo magnético fuerte se dividen en diversos componentes, cada uno de los cuales está polarizado, lo que hoy se conoce como efecto Zeeman.

En 1902 Pieter Zeeman fue galardonado, junto con Hendrik Lorentz, con el Premio Nobel de Física por su investigación conjunta sobre la influencia del magnetismo en la radiación, originando la radiación electromagnética.