С детства и на всю жизнь он заинтересовался философией и поэзией, особенно произведениями Джорджа Байрона. Занялся он и математикой, однако увлечение химией перевесило все. Он столько просиживал в лаборатории, что ему запретили в ней работать. Тогда он оборудовал домашнюю лабораторию и приглашал желающих посмотреть на его опыты. На вопрос, как далеко может пойти органический синтез, юноша отвечал: «До клетки».
В Политехнической школе Вант-Гофф за два года прошел трехлетнюю программу обучения и лучше всех сдал выпускной экзамен.
После этого, проработав недолгое время на сахарном заводе, Якоб в 1871 году стал студентом естественно-математического факультета Лейденского университета. Однако уже на следующий год он перешел в Боннский университет, чтобы изучать химию под руководством Фридриха Августа Кекуле. Два года спустя будущий ученый продолжил свои занятия в Парижском университете, где и завершил работу над диссертацией. Вернувшись в Нидерланды, он представил ее к защите в Утрехтском университете.
В 1874—75 годах впервые изложил теорию пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений, лежащую в основе современной стереохимии. Им были созданы или значительно расширены: химическая кинетика, термодинамика химических реакций, теория разбавленных растворов и учение о равновесиях в водно-солевых системах.
В 1885—89 годах появились работы, посвященные разбавленным растворам. Он связал воедино наблюдения, относящиеся к осмотическому давлению, давлению пара над раствором, зависимости точки замерзания и точки кипения растворов от концентрации. Им было установлено, что осмотическое давление равно давлению, которое производило бы растворённое вещество, находясь в газообразном состоянии при той же температуре в объёме, равном объёму раствора.
Установленные Вант-Гоффом закономерности, экспериментальные методы исследования и примененные им аналитические, термодинамические и геометрические принципы сыграли большую роль в дальнейшем развитии химии. За что он и получил Нобелевскую премию в 1901 году.
При рассмотрении кандидатов на первую премию Шведская королевская академия наук приняла в расчет 22 номинации, и в 11 из них назывался Вант-Гофф.
В 1901 году Вант-Гофф был удостоен Нобелевской премии по химии «в знак признания огромной важности открытия законов химической динамики и осмотического давления в растворах».