Crookes a londoni Royal College of Chemistry (vegyészeti főiskola) hallgatója volt, majd 1854-ben kinevezték az oxfordi Radcliffe Csillagvizsgáló meteorológiai részlegének vezetőjévé. A következő évben a Chesterben (Cheshire), a College of Science-ben (természettudományi főiskola) kapott tanári állást. Miután apjától nagy vagyont örökölt, 1856-tól minden idejét londoni magánlaboratóriumában tölthette, ahol különféle tudományos kutatásokat folytatott. A ritkított gázban végbemenő elektromos kisülések vizsgálata során elsőként figyelte meg a katód körüli sötét térrészt, amelyet ma Crookes-féle sötét térnek neveznek. Bebizonyította, hogy a katódsugarak egyenes vonalban terjednek, s ha bizonyos anyagokba csapódnak, azt fénykibocsátás (foszforeszcencia) és hőtermelés kíséri. A katódsugarak tanulmányozására számos berendezést fejlesztett ki, a sugárzásra, mint az anyag negyedik halmazállapotára vonatkozó elmélete azonban sok tekintetben hibásnak bizonyult.
Miután R. W. Bunsen és G. R. Kirchhoff kidolgozta a színképelemzés módszerét, Crookes a szelén vegyületeit kezdte tanulmányozni az új eljárással. Szeléntartalmú üledékek vizsgálata közben fedezte fel a talliumot 1861-ben. Ettől kezdve az új elem kutatásával foglalkozott: izolálta a talliumot, vizsgálta tulajdonságait, és 1873-ban meghatározta atomtömegét is.
Crookes a talliummal végzett munkája közben fedezte fel a Crookes-féle sugárzásmérő alapelvét. Ez az eszköz a fénysugárzást forgó mozgássá alakítja át. Sugárzásmérőjének elvét később számos érzékeny mérőberendezés fejlesztésénél alkalmazták. Crookest 1891-ben lovaggá ütötték.