1871-ben Robert Bunsen tanítványa volt a heidelbergi egyetemen, majd Angliában a Bristoli, 1887 és 1913 között a londoni egyetem kémiaprofesszora lett. Kezdetben az alkaloidák élettani hatását vizsgálta. Az 1890-es évek elején Lord Rayleigh-vel tanulmányozta a levegőben előforduló gázokat. 1894-ben felfedezte az argont. 1898-ban Morris Travers-szel felfedezte a neont, kriptont és a xenont. 1910-ben a rádium emanációjában kimutatta az utolsó nemesgázt, a radont, így ő az egyetlen, aki egy egész elemcsalád felfedezésében részt vett. 1888-ban lett a Royal Society tagja, 1902-ben lovagi rangot kapott. A levegőben előforduló közömbös gázok felfedezéséért és a periódusos rendszerben elfoglalt helyük meghatározásáért 1904-ben kémiai Nobel-díjat kapott, ugyanabban az évben, amikor a fizikai Nobel-díjat Rayleigh kapta.