Între 1876 și 1900, în lipsa unui observator aflat la îndemână, și-a propus să studieze plăcile fotografice luate de astronomul David Gill, care conducea, în vremea aceea, acoperirea fotografică a Emisferei Sudice, la Observatorul din Cape Town, în Africa de Sud. Rod al acestei colaborări a fost publicarea lucrării Cape Photographic Durchmusterung, un catalog stelar, care lista poziția și magnitudinea a 454.875 de stele de pe bolta cerească a Emisferei Sudice.
În 1897, în timpul lucrului aupra acestor planșe, a descoperit o stea care-i poartă numele: Steaua lui Kapteyn. În epocă era astrul cu cea mai rapidă mișcare proprie descoperită vreodată; în prezent (2015) această stea a rămas a doua, fiind detronată de Steaua lui Barnard.
În 1904, studiind mișcările proprii ale stelelor, Kapteyn a notat că acestea nu erau aleatorii, cum se creadea în epocă; stelele puteau fi catalogate în două fluxuri, deplasându-se în direcții opuse. Se va realiza mai târziu că datele lui Kapteyn aduceau prima dovadă a rotației Galaxiei, ceea ce va conduce la descoperirea rotației diferențiale de către Bertil Lindblad și Jan Oort.
În 1906 Kapteyn a propus un plan pentru studierea distribuției stelelor în Galaxie, socotind stelele în diferite direcții. Acest studiu utiliza măsura magnitudinii aparente, a tipului spectral, a vitezei radiale și a mișcării proprii ale stelelor din 206 zone. Acest proiect enorm a constituit prima analiză statistică coordonată în astronomie, implicând colaborarea a peste 40 de observatoare diferite. Totodată, însăși analiza datelor sale a fost realizată practic de Kapteyn singur, în două încăperi împrumutate de secția de fiziologie a Universității din Groningen, deși într-o perioadă a primit ajutorul unor deținuți puși la dispoziție de o închisoare olandeză.[15]
