Родился в семье Катаринуса Форандинуса Зеемана и его жены Вильгельмины Ворст. Обучался в Лейденском университете под руководством Х. Камерлинг-Оннеса и Х. Лоренца. С 1890 г. начинает преподавать в Лейдене. В 1896 г., по просьбе Лоренца, исследует воздействие магнитного поля на спектральные линии источника излучения и открывает эффект, известный теперь под названием эффекта Зеемана. Открытие эффекта подтвердило верность теории электро-магнитного излучения Лоренца.
В 1900 г. Зеемана назначили профессором физики в Амстердамском университете. В 1908 г. он становится директором института физики этого университета.
В 1921 г. получил медаль имени Генри Драпера. Один из кратеров на Луне назван в его честь кратером Зеемана.