De Sitter étudie la géologie en Suisse et plus tard à Leyde, où il est l'élève des géologues Karl Martin (1851-1942) et Berend George Escher (1885-1967). Il termine sa thèse en 1925 et obtient ensuite un emploi à la Bataafsche Petroleum Maatschappij.
Après quelques années, il retourne à Leyde pour devenir l'assistant d'Escher. La tâche de De Sitter est de superviser le travail de terrain et la recherche dans les Alpes bergamasques (nord de l'Italie). En plus de cartographier les structures géologiques, De Sitter effectue également des recherches expérimentales sur le développement et l'origine des structures géologiques telles que les failles ou les plis. Il travaille sur ces expériences avec Philip Kuenen, un vieil ami de ses années d'étudiant qui devient plus tard professeur à Groningue.
La Seconde Guerre mondiale rend la recherche en dehors des Pays-Bas impossible pour les géologues néerlandais. De Sitter et l'ingénieur minier WAJM van Waterschoot van der Gracht organisent des études sur le terrain du sous-sol de la partie sud-est des Pays-Bas. Les étudiants qui y participent sont ainsi exclus du travail forcé pour les autorités nazies.
De Sitter lance un programme de recherche géologique dans les Pyrénées et la Cantabrie (toutes deux dans le nord de l'Espagne) après la guerre. Les levés géologiques des étudiants de Leyde sont dans certains cas encore utilisés par le levé géologique espagnol. De Sitter devient professeur en 1948. Ses recherches ultérieures portent principalement sur les similitudes et les relations entre différentes structures géologiques à petite échelle (comme les boudins, les schistosités ou les plis parasites) et les structures à grande échelle (comme les plis et chevauchements jusqu'à l'échelle des chaînes de montagnes). Son livre Structural Geology est traduit dans de nombreuses langues et utilisé dans le monde entier. Au cours de ses dernières années à Leiden, sa santé l'empêche de faire plus de recherches sur le terrain, ce qui réduit sa motivation. Sa méthode consistant à regrouper toutes les observations géologiques dans un cadre large est caractéristique de l'école de géologie structurale de Leyde, qui se poursuit sous Henk Zwart après le départ à la retraite de De Sitter en 1968.
