Fou professor de química, mineralogia i geologia a Amsterdam (1878) i a Berlín (1896). El 1874 demostrà, independentment dels treballs de Le Bel, l’orientació en forma de tetràedre dels enllaços de l’àtom de carboni, la qual cosa permeté d’explicar l’activitat òptica dels carbonis asimètrics. El 1877 publicà Ansichten über die organischen Chemie (‘Consideracions sobre la química orgànica’), on inicià els seus estudis sobre termodinàmica química. A Études de dynamique chimique (1884) desenvolupà els principis de cinètica química, descriví un nou mètode per a la determinació de l’ordre d’una reacció i formulà l’equació que duu el seu nom. El 1901 li fou atorgat el primer premi Nobel de química pel seu treball sobre la cinètica química i la pressió osmòtica en les solucions.