Mérnöknek készült, aztán matematikusnak, de 25 évesen már komoly eredményei voltak fizikából. 27 évesen a fizika professzora, egy év múlva már a cambridge-i fizikai intézet, a Cavendish laboratórium igazgatója. Tanítványainak egyike volt Ernest Rutherford, aki később követte őt posztján. 1884-ben a Royal Society tagjává választotta, 1915-től pedig ugyanezen társaság elnöke lett 1918-tól a cambridge-i Trinity College igazgatója 1920-ig. Számtalan tanítványa volt, köztük több Nobel-díjas. 1906-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat a gázokon áthaladó elektromosságra vonatkozó elméleti és kísérleti vizsgálatok terén szerzett érdemeiért. Egyik fia a később apja nyomdokaiba lépő, szintén Nobel-díjas George Paget Thomson.