Während der Schulzeit in Arnhem schuf sich Lorentz. eine ausgezeichnete Grundlage für sein Studium der Mathematik und Physik, das er 1870 an der Universität Leiden aufnahm. Bereits nach einem Jahr erwarb er das Diplom der Wissenschaften. Kurz darauf übernahm er im Februar 1872 an der Abendschule in Arnhem eine Lehrstelle. Neben dieser Tätigkeit gelang es ihm durch Selbststudium, 1873 die Doktorprüfung abzulegen. 1875 folgte seine berühmte Dissertation "Réflexion et réfraction de la lumière dans la théorie électromagnétique". Mit dem in ihr behandelten Problemkreis griff er die Wellentheorie von Augustin-Jean Fresnel auf und überarbeitete sie mit der Maxwellschen Theorie des Elktromagnetismus. Hatte Fresnel noch versucht, das Wesen des Lichtes mechanisch mit seiner elastischen Äthertheorie zu erfassen, beschrieb Lorentz nunmehr das Licht als eine elektromagnetische Welle, die sich in einem ruhenden, überall gleichmäßig verteilten Äther ausbreitet. Damit war Lorentz imstande, Brechung und Reflexion des Lichtes ausschließlich mit transversalen Wellen zu erklären. Fresnel hingegen hatte zur Deutung dieser Erscheinungen auch longitudinale Wellen heranziehen müssen, obwohl diese trotz umfangreicher experimenteller Untersuchungen (insbesondere mit polarisiertem Licht) nie nachgewiesen werden konnten - auch nicht von Fresnel selbst. Die Optik wurde somit durch Lorentz' Dissertation als Teilgebiet der Elektrodynamik untergeordnet.

Nachdem Lorentz 1877 auf eine Professur für Mathematik an der Universität Utrecht verzichtet hatte, übernahm er 1873 den ersten niederländischen Lehrstuhl für theoretische Physik an der Universität Leiden. Seiner Aufgeschlossenheit gegenüber allen Gebieten der Physik ist die Klärung vieler Probleme zuzuschreiben. Anfangs der achtziger Jahre galt sein Interesse vorwiegend der kinetischen Gastheorie und der Thermodynamik: 1880 bestätigte er die Gültigkeit der von James Clerk Maxwell angezweifelten van der Waalsschen Zustandsgleichung. 1886 folgte die thermodynamische Behandlung des thermoelektrischen Effektes in Metallen (den er übrigens später auch aus molekulartheoretischer Sicht beschrieb); 1887 endlich schloß Lorentz eine von seinem Kollegen Heike Kamerlingh Onnes aufgezeigte Lücke im Boltzmannschen Theorem und verhalf damit der Boltzmannschen Theorie zu ihrer endgültigen Fassung.

Lorentz' größtes Verdienst ist der Aufbau einer Elektronentheorie (1892). Hierin griff er die von Hermann von Helmholtz (1881) zur Erklärung der Faradayschen Gesetze der Elektrolyse (1833) gestellte Forderung einer atomistischen Struktur der elektrischen Ladungen auf: die gegen den Äther frei bewegliche Materie setzt sich aus positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen zusammen, die im Falle elektrischer Neutralität in gleicher Anzahl vorhanden sind. In Isolatoren sind die Elektronen elastisch an ihre Gleichgewichtslage gebunden; in Metallen hingegen können sie sich frei bewegen. Alle elektrischen und magnetischen Erscheinungen werden ausschließlich durch das Verhalten elektrischer Ladungsträger verursacht, gemäß welchem im Äther ein besonderer Zustand - heute als elektrisches oder magnetisches Feld bezeichnet - verbreitet wird. Dank dieser Vorstellungen gelang es Lorentz, die Materialkonstanten der Maxwellschen phänomenologischen Feldtheorie zu bestimmen: die Dielektrizitätskonstante erklärte Lorentz mittels Dipolen, die durch ein angelegtes elektrisches Feld ausgerichtet werden; die Permeabilität führte er auf Ringströme zurück, die durch die in geschlossenen Bahnen um die Atomrümpfe kreisenden Elektronen bedingt sind; die Leitfähigkeit begründete er mit der Beweglichkeit der Ladungsträger in der Materie.

Auch die Dispersion des Lichtes ließ sich zwanglos mit der Vorstellung deuten, die elastisch gebundenen Elektronen würden durch eine elektromagnetische Welle zu erzwungenen Schwingungen angeregt. Eine hervorragende Bestätigung hierfür erbrachte 1896 Pieter Zeeman mit dem Nachweis der Aufspaltung von Spektrallinien in einem starken Magnetfeld (Zeeman-Effekt). Aufgrund dieser Arbeiten wurde Lorentz und Zeeman 1902 der Nobelpreis zugesprochen.

Waren die Aussagen der Lorentzschen Elektronentheorie über die Materie insbesondere durch den Zeeman-Effekt experimentell gut gesichert, so bedurfte die Lorentzsche Hypothese eines absolut ruhenden Äthers noch einer Bestätigung, welche sich auf die Frage nach der Wirkung des Ätherwindes (verursacht durch die schnelle Bewegung eines Körpers durch den Äther) zurückführen ließ.

Der erwartete Einfluß des Ätherwindes konnte jedoch weder durch den 1881 von Albert Abraham Michelson und Edward Williams Morley ausgeführten Versuch noch durch die von Lorentz angeregte, mit größerer Genauigkeit durchgeführte Wiederholung 1887 nachgewiesen werden.Dieses negative Ergebnis vermochte Lorentz nur durch die Übernahme der bereits 1892 von George Francis Fitzgerald formulierten Kontraktionshypothese mit seiner Äthertheorie in Einklang zu bringen. Die hierbei auftauchende Frage nach dem gleichen Ablauf elektromagnetischer Vorgänge in gegenüber dem Äther bewegten sowie ruhenden Systemen war für Lorentz (1899) nur durch die Annahme lösbar, daß jedem gleichförmig bewegten System ein anderes Zeitmaß zuzuordnen sei. Damit war er in der Lage, Transformationsgleichungen für die Maßgrößen in den verschiedenen Systemen derart aufzustellen, daß die Invarianz der Maxwellschen Gleichungen gegenüber diesen sogenannten Lorentz- Transformationen gewahrt blieb.Die Aufstellung des Planckschen Strahlungsgesetzes im Oktober 1900 rückte das Strahlungsproblem in den Mittelpunkt des Interesses der führenden Physiker. Lorentz verhielt sich gegenüber der Planckschen Strahlungstheorie jahrelang skeptisch, da er 1903 auf der Grundlage des Kirchhoffschen Satzes über schwarze Körper sowie 1906 mittels der Herleitung des Gleichverteilungssatzes aus den mechanischen und elektromagnetischen Grundgleichungen wiederholt auf die Rayleigh-Jeans-Strahlungsformel stieß. So gar noch 1908 auf dem Kongreß in Rom behielt Lorentz seine ablehnende Haltung gegenüber der Planckschen Strahlungsformel bei. Dies brachte ihm allerdings die heftigste Kritik ein, da die Plancksche Strahlungsformel bereits als experimentell gut belegt galt. Erst jetzt entschied sich Lorentz zugunsten der Planckschen  Strahlungstheorie: "Wir müßten also wirklich die Jeanssche Theorie als Erklärung der beobachteten Erscheinungen aufgeben, und nur die Plancksche Theorie bleibt uns übrig. Sie müssen nicht denken, daß ich diese nicht sehr gut würdige, im Gegenteil, ich bewundere sie sehr, wegen ihrer Kühnheit und ihres schönen Erfolges."

Lorentz' "äußerst vorsichtige Zurückhaltung", wie Max Planck urteilte, zeigte sich nicht nur gegenüber der Planckschen Strahlungstheorie, sondern auch in seiner Beurteilung der Einsteinschen Relativitätstheorie und bei der Weiterentwicklung der Quantentheorie. Im Grunde blieb er in der Physik des 19. Jahrhunderts verwurzelt. Noch 1927 bekannte er: "Ich möchte das Ideal von früher beibehalten, alles was sich in der Welt ereignet, mit klaren Bildern zu beschreiben." Nichtsdestoweniger bekundete er doch seine Aufgeschlossenheit gegenüber der modernen Physik durch zahlreiche vielbeachtete Übersichtsreferate und Stellungnahmen zum jeweils neuesten Stand der Forschung. Dadurch erwarb er sich großes Ansehen auf internationalen Physikerkongressen, für die er dank seines gewandten Wesens und der vollkommenen Beherrschung der wichtigsten Umgangssprachen der "gegebene Ehrenpräsident" war, wie es Planck formulierte.

Trotz seiner internationalen Verpflichtungen gab er seine Lehrtätigkeit nie ganz auf. Als außerordentlicher Professor hielt er ab 1912 regelmäßig bis kurz vor seinem Lebensende seine berühmten "Montagsvorlesungen" an der Universität Leiden ab. Sogar Albert Einstein und Paul Ehrenfest zählten oft zu seinen Hörern.

Lorentz' Vielseitigkeit gestattete es ihm, auch auf Gebieten außerhalb der Universität erfolgreich mitzuwirken. Nach der Flutkatastrophe 1916 in Nordholland wurde er 1913 mit der Planung für die Trockenlegung der Zuider-See beauftragt, die er 1926 abschloß. (1932 wurde der Dammbau beendet.) Außer dieser nationalen Aufgabe widmete sich Lorentz nach dem ersten Weltkrieg mit voller Kraft der Wiederbelebung der internationalen Zusammenarbeit zwischen den Physikern. Jedoch blieb es Lorentz versagt, die Verwirklichung dieses Anliegens noch zu erleben.