Kapteyn wurde bekannt durch seine Arbeiten über photographische Photometrie, über die Eigenbewegung der Sterne sowie durch die Stellarstatistik und durch die Erforschung des Milchstraßensystems. Die Planung, Organisation ("Astronomisches Laboratorium") und Bearbeitung vor allem der Aufnahmen von Davil Gill in Cap Horn zur Orts- und Bewegungsbestimmung von über 400 000 Sternen des Südhimmels ("Kap-Durchmusterung"), eine der größten Leistungen der Fixsternastronomie, sind sein Werk.