Năm 1927, Oort chứng minh giả thiết về chuyển động quay của Ngân Hà của Bertil Lindblad thông qua quá trình phân tích chuyển động của các ngôi sao ở khoảng cách xa. Ông đã tìm ra được bằng chứng về sự chuyển động vi sai (differential rotation) của Ngân Hà và xây dựng được mô hình toán biểu diễn cấu trúc của các thiên hà. Trong thời gian thế chiến thứ II, ông đã khuyến khích Hendrik C. van de Hulst trong việc nghiên cứu các vạch phổ ở bước sóng radio. Sau thế chiến, Oort đã phụ trách một nhóm nghiên cứu, xây dựng và sử dụng kính thiên văn radio đường kính 25 m tại Dwingeloo để nghiên cứu sự phân bố hydro trong Ngân Hà dựa trên vạch phổ có bước sóng 21 cm. Nhóm nghiên cứu của Oort đã phát hiện ra các cánh tay xoắn ốc của Ngân Hà, trung tâm Ngân Hà và sự chuyển động của các đám khí. Năm 1950, Oort đề xuất mô hình của sự hình thành các sao chổi trong hệ Mặt Trời (đám mây Oort). Nghiên cứu tinh vân Con Cua (M 1), ông nhận thấy sự phân cực ánh sáng phát ra từ tinh vân này, đó chính là bằng chứng cho đề xuất của Iosif S. Shklovskii về sự phát xạ synchrotron (synchrotron radiation).

Tên của ông được đặt cho một tiểu hành tinh (Asteroid 1691 Oort), một khu vực cách Mặt Trời khoảng 1 năm ánh sáng, được coi là cái nôi của các sao chổi (Oort cloud), hằng số Oort mô tả cấu trúc của các thiên hà.