Zijn vader ziet hem liever als theoloog, maar geeft de jonge Jacob (1851-1922) of ‘Ko’ toch een sterrenkijker en stemt in met zijn wis- en natuurkundestudie in Utrecht. Tot verdriet van zijn vader kiest Kapteyn na zijn promotie niet volgens de familietraditie voor het onderwijs, maar wordt hij observator bij de Leidse sterrenwacht.

Als echter de Groninger Universiteit een leerstoel voor astronomie instelt, wordt de 26-jarige Kapteyn er hoogleraar en hij blijft er tot zijn emeritaat in 1921. Pogingen in Groningen een sterrenwacht op te richten stranden op tegenwerking van Leiden en Utrecht en gebrek aan financiële medewerking van het Rijk.

Vanaf 1886 werkt hij aan een sterrencatalogus van het Zuidelijk Halfrond. Dit Magnum Opus met 2400 platen, waarop 454.875 sterren, maken Kapteyn en zijn laboratorium wereldberoemd.

In 1896 opent hij zijn Sterrenkundig Laboratorium, dat na zijn dood naar hem wordt vernoemd. Hij begint er zijn wereldomvattend onderzoeksproject naar de structuur van de Melkweg, waarbij hij dankbaar gebruikmaakt van fotocamera’s. Zijn werkzaamheden brengen de Groninger Universiteit wereldwijde faam.