Selama di Leiden, Zeeman menemukan sebuah efek yang dinamaI menurut namanya. Ia sedang mencari interaksi antara efek magnet dan optik. Michael Faraday telah mengamati medan magnetik pada garis spektrum di awal 1862, tetapi tanpa hasil positif. Zeeman mengulangi eksperimen itu, menggunakan garangan difraksi tenaga resolusi tinggi dan menemukan bahwa garis emisi natrium diperluas (1896). Hendrik Lorentz dan Zeeman menjelaskan fenomena itu dengan memprkirakan bahwa elektron (ditemukan pada tahun sebelumnya oleh Joseph John Thomson) pindah dalam atom dan cahaya yang dipancarkan. Pengukuran frekuensi puncak garis yang meluas memungkinkannya menentukan perbandingan e/m. Di Amsterdam, pada tahun berikutnya, Zeeman bisa memecah garis natrium ke dalam triplet, seperti yang diperkirakan oleh Lorentz. Untuk karya ini Zeeman dan Lorentz menerima Penghargaan Nobel dalam Fisika pada 1902.
