Thomson studierte in Cambridge und wurde 1884, also bereits mit 28 Jahren, Professor am berühmten Cavendish-Laboratorium (seine Vorgänger waren Maxwell und Rayleigh).

• Thomson wies 1896/97 die elektrische Leitfähigkeit von Gasen in evakuierten Gefäßen unter Röntgenbestrahlung nach.

• Zusammen mit Lord Kelvin entwickelte er 1898 das nach ihm benannte Atommodell, einen Vorläufer des Atommodells von Rutherford.

• 1899 entdeckte Joseph Thomson unabhängig von Philipp Lenard, dass auch beim Photo- und beim glühelektrischen Effekt Elektronen emittiert werden.

• 1906 erhielt er für seine Arbeiten über den Durchgang der Elektrizität durch Gase den Nobelpreis für Physik.

• 1907 gelang es Thomson durch Ablenkung von Kanalstrahlen (das sind diejenigen Teilchen, die sich auf die Kathode zu bewegen) im elektrischen Feld Parabeln zu erhalten, von denen jede einer der verschiedenen vorhandenen Atom- und Molekülarten entsprach.

• Zusammen mit Francis Aston wies er 1913 mit dem Massenspektrographen beim Element Neon nach, dass auch nichtradioaktive Elemente Isotope haben.