Leta 1896 je na Lorentzovo pobudo začel proučevati učinek magnetnih polj na izvor svetlobe. Pri tem je leta 1897 odkril, da so se spektralne črte v izsevani svetlobi še dalje razcepile na več drugih črt, kar je postalo znano kot Zeemanov pojav. V spektru svetlobe, ki jo seva plin v zunanjem magnetnem polju, so črte razcepljene na več črt. Normalni Zeemanov pojav, pri katerem se spektralna črta v zunanjem magnetnem polju razcepi na tri črte, lahko pojasnimo tudi v okviru klasične fizike. Gibanjeelektrona v atomu si predstavljamo sestavljeno iz nihanja v smeri magnetnega polja in iz vrtenja v eni in v drugi smeri v ravnini, pravokotni na polje. Frekvenca, ki ustreza nihanju, ostane nespremenjena, od frekvenc, ki ustrezata kroženju, pa se zaradi magnetnega polja ena nekoliko poveča in druga nekoliko zmanjša. Anomalni Zeemanov pojav, pri katerem se spektralna črta v splošnem razcepi na več črt, pa lahko pojasnimo le kvantnomehansko. Pri normalnem in anomalnem Zeemanovem pojavu je razcep črt sorazmeren z gostoto magnetnega polja. V spektru vodikovega atoma v magnetnem polju z gostoto 0,01 T ustreza razcepu črt frekvenčna razlika s-1. To je samo razlike med rumenima črtama v natrijevemu spektru. Zato lahko Zeemanov pojav opazujemo le z zelo ločljivimi spektrografi. Pojav je pojasnil Lorentz. Za to odkritje sta leta 1902 oba prejela Nobelovo nagrado za fiziko.