Był pierwszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Jego pionierska praca przyczyniła się do odkrycia współczesnych teorii powinowactwa chemicznego, równowagi chemicznej, kinetyki chemicznej i termodynamiki chemicznej. Van't Hoff sformułował teorię czworościanów węgla w swojej broszurze z 1874 roku, kładąc podwaliny pod stereochemię , opisał zjawisko aktywności optycznej, zakładając, że wiązania chemiczne pomiędzy atomami węgla i ich sąsiadami są skierowane w stronę narożników regularnego czworościanu. Podziela za to uznanie francuskiemu chemikowi Josephowi Le Belowi, który niezależnie wpadł na ten sam pomysł. W 1875 roku przewidział prawidłowe struktury allenów i kumulenów oraz ich chiralność osiową. Jest także powszechnie uważany za jednego z twórców chemii fizycznej.