Cambridge-ben született, apja James John Thomson, aki az elektron felfedezéséért kapott Nobel-díjat. Cambridge-ben tanult, az 1. világháborúban több évig hadi szolgálatot teljesített. A háborúból visszatérve rövid Cambridge-i munka után 1922-ben a University of Aberdeen professzora lett. Itt kísérletileg megfigyelte az elektrondiffrakció jelenségét és ezzel igazolta Louis de Broglie hipotézisét az anyag hullámtermészetéről. A Nobel-díjat 1937-ben Clinton Joseph Davisson-nal megosztva kapta, aki tőle függetlenül jutott ugyanerre a felfedezésre. 1930-tól 1952-ig a londoni Imperial College professzora volt, majd 1962-ig a Cambridge-i Corpus Christi College vezetője volt. A 2. világháború idején az atomenergia háborús célú felhasználásán is dolgozott. 1943-ban lovaggá ütötték.