Arnhem'de (Hollanda) doğdu ve Leyden Üniversitesi'nde okudu. 19 yaşında Arnhem'e döndü ve bir taraftan Maxwell'in elektromanyetizma teorisini ışığın kırılma ve yansımasının ayrıntılarını açıklayacak şekilde genişleten bir doktora tezi hazırlarken, oradaki lisede öğretmenlik yaptı.
1878'de Leyden'de, Hollanda'da ilk defa oluşturulan kuramsal fizik profesörlüğüne atandı ve burada Haarlem'e taşınıncaya kadar 34 yıl kaldı. Lorentz, Maxwell'in kuramını yeniden formüle etmeye ve basitleştirmeye devam etti ve elektromanyetik alanların atomcul düzeydeki elektrik yükleri tarafınca yaratıldığı fikrini ileri sürdü. Atomların ışık yayması ve değişik optik olayların atomlardaki elektronların hareket ve etkileşmeleri ile açıklanabileceğini önerdi.
1896'da öğrencilerinden Pieter Zeeman'ın bir manyetik alanda ışıma icra eden atomların yaydığı tayf çizgilerinin, birbirlerinden az farklı frekanslardaki bileşenlere yarıldığını keşfi, Lorentz'in çalışmalarını doğruladı ve 1902'de her ikisine de Nobel ödülünü kazanmıştırrdı.
Bir referans sistemindeki elektromanyetik nicelikleri, birinciye gore hareket eden bir başka referans sistemindeki değerlerine dönüştüren denklemleri, Lorentz'in ilk kere 1895'te bulmasına karşın, bu tarz şeylerin önemi sadece 10 yıl sonra Einstein'ın özel görelilik kuramıyla anlaşıldı. Lorentz (ve ondan bağlarımsız olarak İrlandalı fizikçi G. F. Fitzgerald), Michelson-Morley deneyinin negatif sonucunun, gözlemciye gore meydana getirilen hareket doğrultusundaki uzunlukların büzüleceğim kabul ederek açıklanabileceğini öne sürdü.
Daha sonraki deneyler, bu tür büzülmelerin gerçekleştiğini, fakat bunların Michelson-Morley sonucunun gerçek sebebi olmadığını, bu sebebin evrensel bir referans sistemi görevi görecek bir "esîr"in bulunmaması bulunduğunu gösterdi.