물질의 액체와 기체 상태에 대한 연구로 1910년 노벨 물리학상을 받았다. 이 연구 결과로 절대영도 부근 온도에서의 연구가 가능해졌다.

1873년 그는 〈액체와 기체 상태의 연속성에 대해 On the Continuity of the Liquid and Gaseous State〉라는 논문으로 처음 주목 받았고, 이 논문으로 박사학위를 받았다. 계속되는 연구를 통해 만약 기체 분자들이 부피가 없고 분자들간에 인력이 작용하지 않는다고 가정할 수 있을 때만 이상기체법칙을 기체운동이론에서 유도할 수 있다는 것을 알아냈다.

이 두 가정이 모두 맞지 않다고 하면서 반 데르 발스는 1881년 이 법칙에 크기와 인력을 나타내는 2개의 변수를 도입하여 더 정밀한 식을 만들어냈고, 이는 반 데르 발스 방정식으로 알려졌다. 이 변수들이 기체마다 다르기 때문에 연구를 계속해 모든 물질에 똑같은 형태의 방정식(대응상태의 법칙)에 도달했다. 이 연구는 그에게 노벨 물리학상을 안겨주었고 영국의 제임스 듀어 경과 네덜란드의 헤이케 카메를링 오네스가 수소와 헬륨의 액화에 필요한 자료를 결정하도록 이끌었다.

레이덴대학교에서 제공한 기회들을 이용해 독학했던 이 과학자는 1877년 암스테르담대학교에서 물리학교수에 임명되었고 1907년까지 이 자리에 있었다. 원자나 분자들 간의 약한 인력인 반데르발스 힘은 그를 기념하여 붙여진 이름이다.