A Manchesteri és a Cambridge-i Egyetemen tanult, majd a berlini Technische Hochschulén Hans Geiger tanítványa volt. Az 1. világháborúban, mint ellenséges állam polgárát, internálták. 1919-ben visszatért Angliába és Ernest Rutherforddal dolgozott együtt Cambridge-ben, a Cavendish Laboratóriumban, 1923-tól, mint igazgatóhelyettes. Irene Joliot Curie és Frédéric Joliot 1932-ben megfigyelték, hogy az alfa-részecskékkel bombázott berillium ismeretlen sugárzást bocsát ki, eredményeiket azonban tévesen értelmezték. Chadwick kimutatta, hogy a sugárzás a protonnal nagyjából egyenlő tömegű, de elektromos töltés nélküli részecskékből, neutronokból áll. 1935-ben kapta meg a fizikai Nobel-díjat a neutron felfedezéséért. 1935-ben a liverpooli egyetem professzora lett, itt ciklotront épített. A 2. világháború idején az atombomba létrehozását szolgáló angol kutatások, 1943-tól 45-ig az USA-ban, a Manhattan-terv résztvevőjeként dolgozott. A háború után Cambridge-be tért vissza, ott is halt meg.