En 1904, estudiando el movimiento propio de las estrellas, Kapteyn anuncia que dichos movimientos no son aleatorios, tal y como se pensaba por aquel entonces. Las estrellas podían dividirse en dos corrientes, moviéndose casi en sentidos opuestos. Sin embargo, no fue hasta tiempo después que los astrónomos se dieron cuenta de que esa era la primera evidencia de la rotación de la Vía Láctea, lo que permitió el descubrimiento de la rotación galáctica por Bertil Lindblad y Jan Oort.
En 1906, Kapteyn lanzó un plan para estudiar con mayor detalle la distribución de estrellas en la Vía Láctea, usando recuentos de estrellas en diferentes direcciones. El plan suponía medir la magnitud aparente, el tipo espectral, la velocidad radial y el movimiento propio de estrellas en 206 zonas. Este enorme proyecto fue el primer análisis estadístico coordinado en astronomía y en él cooperaron más de cuarenta observatorios diferentes.
Kapteyn fue galardonado con la Medalla James Craig Watson en 1913. Se retiró en 1921 a la edad de setenta años aunque bajo petición de su antiguo estudiante y director del Observatorio de Leiden, Willem de Sitter, Kapteyn volvió a Leiden para ayudar en la actualización del observatorio a unos estándares astronómicos contemporáneos.
En 1922 publica Primer intento de obtener una teoría de la disposición y movimiento del sistema sidéreo,[2] donde describía un universo isla con forma lenticular en el que la densidad decrece desde el centro hacia las regiones más externas, conocido como modelo del universo de Kapteyn. En su modelo, la Vía Láctea tenía un tamaño de 40 000 años luz con el Sol relativamente cerca de su centro (a 2000 años luz). El modelo era válido a altas latitudes galácticas pero fallaba en el plano galáctico debido a la falta de conocimiento de la absorción del medio interestelar.
Fue después de la muerte de Kapteyn, en Ámsterdam, cuando Robert Trumpler determinó que la cantidad de enrojecimiento interestelar era mucho mayor que la asumida por Kapteyn. Este descubrimiento aumentó el tamaño estimado de la galaxia hasta 100 000 años luz, con el Sol situado a unos 30 000 años luz del centro galáctico.