Kapteyn wordt beschouwd als Neerlands grootste astronoom, die de beroemde theorieën van de Poolse astronoom Copernicus verder tot ontwikkeling bracht. Jacobus Cornelius Kapteyn was het negende kind van wat een gezin van 15 kinderen zou worden.Hij ging naar de kostschool waar zijn vader directeur was en zo kwam hij dag en nacht onder curatele van pa te staan. Op school en thuis heerste strenge discipline. Dat resulteerde erin dat hij erg in zichzelf gekeerd was en hij zo goed als geen vriendjes had. Wel bezat hij een hoge mate van intelligentie en had hij veel belangstelling voor de natuurwetenschappen. Hij rondde zijn schooltijd dan ook zonder veel moeite af.

Als hij in 1867 slaagt voor het toelatingsexamen voor de Universiteit van Utrecht komt er spoedig een einde aan zijn eenzaamheid. Zijn vader vond hem evenwel nog te jong maar een jaar later, hij was toen 17, mocht hij zijn studie wis- en natuurkunde gaan beginnen.In 1868 vertrok hij naar Utrecht, alwaar onder meer prof. Buys Ballot tot een van zijn leermeesters behoorde. Hij voegde zich bij twee van zijn broers die al op deze universiteit waren en daar een studie volgden. In Utrecht ontmoet hij ook zijn toekomstige vrouw Elise Kalshoven (zij huwden elkaar op 17 juli 1879). Hij sluit zijn studie af als hij op 24 juni 1875 promoveert tot doctor in de wis- en natuurkunde. Er werd min of meer van hem verwacht dat hij zich op een leraarsambt zou gaan toeleggen. Maar het lot besliste dat Kapteyn vlak na zijn promotie observator (waarnemer) aan de sterrenwacht te Leiden wordt. Hij maakt daar een zeer goede indruk maakt prof. H. G. van de Sande Bakhuyzen, directeur van de sterrenwacht en hoogleraar in Leiden. Na twee jaar in Leiden wordt hij benoemd tot hoogleraar aan de Universiteit van Groningen.

Sterstromen
In zijn werk staat hij aan de vooravond van een glansrijke loopbaan. Ook al beschikte hij in Groningen niet over een sterrenwacht om zijn waarnemingen te doen, de sterrenwacht van Leiden was altijd beschikbaar. Kapteyn spande zich in om in Groningen een sterrenwacht van de grond te krijgen, maar hij stuitte op weerstand van de universiteiten van Utrecht en Leiden. Bovendien stelde Groningen geen geld beschikbaar. Wel krijgt hij in Groningen de beschikking over een sterrenkundig laboratorium dat later zijn naam zou dragen. Tussen 1896 en 1900 wordt het uit drie delen bestaande werk over ‘The Cape Photographic Durchmusterung’ uitgegeven. Samen met David Gill, directeur van de sterrenwacht in Kaapstad, meette Kapteyn 455.000 sterren op helderheid en hun posities in de zuidelijke hemel. Het wordt nog steeds als een belangrijk naslagwerk gebruik. Als waardering voor dit werk werd hij tot lid van de Royal Astronomical Society benoemd. In 1902 ontdekt Kapteyn de sterstromen. Dit betekent dat sterren niet willekeurig door elkaar bewegen, zoals men altijd gedacht had, maar dat zij een voorkeur voor twee tegengestelde richtingen hebben.
In 1906 startte hij een nieuw project, bekend onder de naam ‘Plan of Selected Areas’. Dertig sterrenwachten vanuit de hele wereld leverden hier hun medewerking aan. De sterrenhemel werd opgedeeld in 206 gelijke gebieden. Omdat Kapteyn zelf niet de beschikking had over fotografische kijkers werden hem de foto’s vanuit al de meewerkende sterrenwachten toegezonden. Voor alle aanwezige sterren binnen zo’n afgebakend gebied werden de gegevens, zoals de helderheid, de eigen beweging, afstand, snelheid en kleurenspectrum gemeten en gecatalogiseerd.

Melkwegstelsel
In 1908 wordt hij door Leiden gevraagd de plaats van Van de Sande Bakhuyzen over te nemen als deze de pensioengerechtigde leeftijd heeft bereikt en aftreedt als hoogleraar. Kapteyn weigerde dit, maar er werd wel een leerling van Kapteyn, namelijk Willem de Sitter benoemd op deze plaats.Tegen het einde van zijn loopbaan krijgt zijn onderzoek naar de (volgens Kapteyn voorlopige) structuur van het Melkwegstelsel gestalte. Volgens Kapteyn had het Melkwegstelsel de vorm van een schijf, met een diameter van 60.000 lichtjaar (een lichtjaar = 9460 miljard kilometer) en een dikte van ongeveer 10.000 lichtjaar. De zon staat dichtbij het centrum van het Melkwegstelsel, waar ook de dichtheid van sterren het grootste is. Het aantal sterren binnen het stelsel schatte hij op 47 miljard. Dit was het eerste betrouwbare model van ons Melkwegstelsel.

In Kapteyns werk zijn vele nieuwe begrippen naar voren gekomen zoals kleurindex of absolute magnitude (maat voor helderheid van een ster). Kapteyn stond aan de wieg van de ingrijpende veranderingen in de astronomie, zoals helderheidbepalingen met fotografische methoden. Veel van zijn bevindingen zijn inmiddels wel achterhaald door het gebruik van geavanceerdere middelen
Op 18 juni 1922, net een jaar met pensioen, overleed hij te Amsterdam. Zijn stoffelijk overschot werd in alle stilte op Westerveld ter aarde besteld.
Een jaar daarvoor was er op de Leidse sterrenwacht een adjunct directeurschap vrijgekomen. Besloten werd deze functie als tijdelijk en gedeeltelijk aan Kapteyn toe te vertrouwen. Hiervoor diende hij slechts af en toe zijn gezicht te laten zien en had hij de leiding over de observaties met de meridiaankijker. Hier eindigde Kapteyns sterrenkundige loopbaan waar hij begonnen was; bij de Leidse Sterrenwacht.