Nasce em Cheetham Hill, perto de Manchester, e estuda no Owens College e na Universidade de Cambridge - nesta ensina matemática e física experimental. Em 1884 é nomeado diretor do Laboratório Cavendish, em Cambridge, onde começa a pesquisar os raios catódicos. Três anos depois, vai além de demonstrar que eles são partículas de rápido movimento.
Ao medir sua velocidade e carga específica, deduz que esses corpúsculos, chamados elétrons, são cerca de 2 mil vezes menores que o átomo de hidrogênio, a menor partícula até então conhecida. Prova também que a interação entre elétrons e matéria produz raios X, que, ao interagir com a matéria, geram elétrons. Em 1908 recebe o título de sir.
Entre 1905 e 1918, leciona filosofia natural no Instituto Real da Grã-Bretanha. Deixa a instituição para assumir o cargo de diretor do Trinity College, que ocupa até morrer, em Cambridge.