Les expériences parisiennes ont stimulé sa réflexion et, avant l'obtention formelle de son diplôme de fin d'étude universitaire, il publie un article et un rapport surprenant, fruit de l'observation sur les rapports entre la puissance rotative et la composition chimique des composés organiques. Constatant l'intérêt de la communauté scientifique, il publie aussitôt le rapport dans le un livre directement écrit en français : La Chimie dans l'espace. Suivant la démarche préconisée par son ami Le Bel, il y développe les principes fondateurs de la stéréochimie. Figure en bonne place la théorie de l'atome de carbone tétravalent asymétrique, c'est-à-dire portant quatre groupements différents. Les idées formulées sont admises par Wilicénius. Il dénomme cette proposition isomèrie optique et s'empresse de traduire en allemand l'ouvrage du jeune penseur. Une intense agitation gagne la communauté des chimistes. Elle suscite l'ironie de H. Kolbe et des partisans de l'Allemagne unie, fière de leur suprématie technique et scientifique..
Les scientifiques néerlandais essayent d'attirer le jeune chercheur qui met en émoi la chimie européenne dans le giron universitaire. Van ’t Hoff, professeur de chimie et de physique au collège vétérinaire d’Utrecht est nommé en 1877 lecteur à l'université d’Amsterdam, puis promu en 1878 professeur de chimie, en réalité, il enseigne autant la minéralogie et la géologie que la chimie. Plus qu'à sa charge lourde d'enseignement, le sérieux professeur doit à la variété des milieux et des champs scientifiques qu'il est obligé de cotoyer la fécondité de ses conceptions en chimie théorique.
En 1878, il épouse Johanna Francina Mees avec qui il a deux filles, Johanna Francina (née en 1880) et Aleida Jacoba (née en 1882), et deux fils, Jacobus Hendricus (né en 1883) et Govert Jacob (né en 1889).
Mais s'il reste simple professeur pendant presque dix-huit ans avant de prendre la direction de la chaire du département de chimie de l’université d'Amsterdam, il continue ses recherches suscitant la sympathie de chercheurs allemands. En 1887, il fonde avec le chimiste allemand Wilhelm Ostwald la revue scientifique Zeitschrift für physikalische Chemie ("Journal de chimie-physique"). Devant le succès de l'entreprise éditoriale, le chercheur essaie enfin de se libérer des énormes responsabilités d'enseignement : il est appelé en fin de carrière de 1896 à 1911 à un poste scientifique sans obligation d'enseignement régulier à l’université de Berlin.
Il rédige un cours, met en forme ses idées avant de recevoir le premier prix Nobel de chimie pour ses travaux touchant les solutions chimiques. Il meurt à Steglitz, Allemagne de la tuberculose.
Il est lauréat de la Médaille Davy en 1893.
En 1901, il reçoit le premier prix Nobel de chimie « en reconnaissance des services extraordinaires qu'il a rendus par la découverte des lois de la dynamique chimique et de la pression osmotique dans les solutions ».