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Er studierte an der Universität von Leiden, wo er 1878 Professor für mathematische Physik wurde. Auch wenn die meisten mit dem Namen Lorentz ausschließlich die nach diesem benannte Lorentzkraft assoziieren, war er in viel umfangreicherem Maße wissenschaftlich produktiv.
Lorentz entwickelte die elektromagnetische Theorie des Lichtes und die Elektronentheorie der Materie und formulierte auch eine widerspruchsfreie Theorie von Elektrizität, Magnetismus und Licht.
Gemeinsam mit dem irischen Physiker George Francis FitzGerald formulierte er eine Theorie über die Änderung der Gestalt eines Körpers, die aus seiner Bewegung resultiert. Die Wirkung, die so genannte Lorentz-FitzGerald-Kontraktion, war einer von mehreren bedeutenden Beiträgen, die Lorentz zur Entwicklung der Relativitätstheorie lieferte. Nach Lorentz ist auch die Lorentztransformation benannt.
Für die Erklärung eines Phänomens, das man als Zeeman-Effekt bezeichnet, teilte sich Lorentz 1902 mit dem niederländischen Physiker Pieter Zeeman den Nobelpreis für Physik