Egy Londonból bevándorolt feltaláló fiaként Pennsylvaniában és Ohióban nőtt fel, és a Cornell Egyetemen végzett 1911-ben. Többfelé dolgozott, mielőtt 1916-ban az ohiói Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) kutatója lett. 1923-tól az Ethyl Gasoline Corporation, majd 1930-tól a Kinetic Chemicals Inc. alelnöke, 1933-tól az Ethyl-Dow Chemical Company igazgatója. 1940-től 1944-ig az Ohiói Állami Egyetem kutatási alapítványának az igazgatója és alelnöke. A II. világháború alatt az Országos Védelmi Kutatási Bizottság egyik részét is vezette.
Midgley a belső égésű motorok kopogásának problémáját vizsgálva 1921-ben fedezte föl az ólom-tetraetilt. Az ólom adalékanyagok okozta problémák elemzése vezette el annak fölismeréséhez, hogy a tengervízből brómot lehet kivonni.
Az I. világháború alatt kidolgozta a légitorpedó, a II. világháború rakétabombájára némileg hasonlító propeller hajtású eszköz irányítórendszerét. Miközben ennek hűtéséhez nem mérgező, nem éghető anyagot keresett, három nap alatt eljutott a diklór-difluor-metán fölfedezéséhez. Az anyag freon-12 néven vált ismertté; ezt és több rokon vegyületet általánosan használták hűtőközegként, később széles körben alkalmazták aeroszol hajtógázként.
Midgley kiterjedten vizsgálta a természetes és
mesterséges gumik összetételét, ő fedezte
föl az egyik első katalizátort a szénhidrogének
"krakkolására", szétbontására.