学习工程，20岁成为剑桥大学圣三一学院的数学研究生，从而和历史上最杰出的科学家牛顿、培根、麦克斯韦等成为校友。毕业后他追随瑞利从事电磁场理论的实验研究工作，1884年当选皇家学会会员。
由于电磁质量的发现改变了物质观、质量概念、时空观，从而对现代科学革命产生了巨大的推动作用，汤姆生迎来了28年人生最重要的一项任务——接任卡文迪许实验室教授。
卡文迪许的首次转航
汤姆生出任卡文迪许实验室教授后，迅速完成了实验室研究方向的转航，这是一个令人吃惊的局面。没有人想到和麦克斯韦、瑞利的电磁理论一脉相承的汤姆生会把整个实验室带到另一条轨道上，并且对前人的功劳簿，毫无眷恋。
汤姆生做出研究方向转向的决定是基于两点考虑：第一，他的两位前任显然在固体电磁理论和实验上做出了奠基性的重大贡献，并且在各种电标准测量上为国际电工学会和CGS的制订打下了基础，他预见在将来的一段时期内，在固体电磁研究上很难再有重大突破。第二，自法拉第发现电解定律、提出离子概念后，液体电磁理论在短期内也不会有多大的进展。于是，他决定让实验室把研究方向放在气体的电磁性质上，因此选择了气体放电作为卡文迪许的下一阶段研究重点。
这次转向使卡文迪许实验室成为世界上气体放电的研究中心，而汤姆生果敢的决策也显示出他在开辟新研究领域上的远见卓识。至此，已经没有人对他能否胜任卡文迪许实验室教授存有异议了。
在担任卡文迪许教授的前半段时间，汤姆生完成了他一生中对物理学界最大的贡献——发现电子。1897年，电子的发现具有划时代的意义。
汤姆生发现电子的过程十分有趣，可以说是一场无心插柳的巧合。1895年，在伦琴发现x射线后，他兴奋地将这一消息告诉了当时几位最著名的物理学家，其中就有汤姆生。汤姆生察觉这一发现与稀薄气体放电直接相关，于是在卡文迪许物理学会上介绍了伦琴射线。第二年，法国人贝克勒又发现了铀盐的放射性。随后汤姆生带领卢瑟福等人开始了对x射线、放射性辐射、阴极射线和紫外线对气体导电性影响的研究。
虽然道尔顿的原子论在当时物理界已深入人心，但没有人能够验证这一假说，包括汤姆生在内的所有科学家谁也不了解原子是否真的可分?如果分解，究竟会得到什么?因此，当汤姆生在卡文迪许开始对阴极射线的性质和组成进行研究时，他只是单纯地想搞清楚阴极射线的本质是什么?以便搭建起推断其他各种辐射组成的桥梁。
科学史上的大量发现往往不是预先设定目标，有意为之，而是探索某个问题时意外收获的副产品，电子的发现就是这样。汤姆生之所以能够发现电子，有一个基本的前提是他坚信阴极射线是由微粒构成的，这也是牛顿之后英国物理学界的普遍看法。这种微粒说和当时德国物理学界所持的波动说形成了势不两立的两派。而赫兹、哥德斯坦、勒纳德等众多坚持波动说的物理学家在对阴极射线的大量实验研究之后，无功而返。
汤姆生发现电子的大致过程是这样的：首先他用旋转镜法测量了阴极射线的速度，否定了阴极射线是电磁波；接着他通过射线在电场和磁场中的偏转，得出阴极射线是带负电子的粒子
流；然后他进一步测定了这种粒子流的荷质比，发现它们的质量是当时已知的氢原子的1／1000，而这种粒子不因放电气体或电极的变化而变化，说明它是所有物质的共同组成部分。于是，汤姆生把它称做“电子”。
“电子”虽然只是一个小粒子，但它的重要性在19世纪的三大科学发现中居首位。
首先，电子是人类历史中发现的第一个小于原子的基本粒子，它使科学家们认识到原子内部存在着一个复杂的小宇宙，促使他们揭开原子结构的奥秘。受电子发现的启发，a、b、v射线、原子核、正电子相继被科学家们发现。
其二，电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临，卡文迪许实验室培养的研究生弗莱明1904年发明了二极电子管。德弗莱斯特1906年发明了三极管。由于真空管的发明，带来了第二次世界大战结束前电力通信、控制、自动化生产的大发展。随着晶体管和集成电路的发明，人类的生产和生活开始进入微电子科技时代。
其三，电子的发现使人们开始关注它对应粒子“正电子”的研究和探索。1932年，美国人安德森在加州理工学院宣布发现“正电子”。电子与正电子正负对称的粒子对称性揭开了宇宙中粒子具有的普遍对称性和反物质研究的序幕。
其四，电子的发现使人们明白“电”是原子内电子在某种条件下产生的流动现象，因此出现了电的储存设备——蓄电器、化学电池、太阳能电池等。千万年来，闪电和摩擦生电的秘密终于被揭开。
1906年，汤姆生由于在气体导电方面的理论和实验研究获得诺贝尔物理奖。这是卡文迪许实验室获得的第二块诺贝尔奖牌。
面向世界甄选人才
年轻的汤姆生入主卡文迪许，他精力旺盛，热情充沛，他的这种精神气质也感染了卡文迪许实验室。如果说在汤姆生之前卡文迪许是英国物理学的重镇，那么自汤姆生担任卡文迪许实验室教授之后，卡文迪许走上了世界物理学的圣坛，它的大门向所有人敞开了。
除了在研究方向上的转变之外，汤姆生给卡文迪许带来的第一个制度上的变化就是借鉴德国博士生制，摒弃英国传统的优等生制度，首创向全世界招收研究生制度。
卡文迪许研究生改革的试验从1895年开始，当年实验室决定从英格兰、爱尔兰，新西兰招收4个硕士研究生。在这次招生中汤姆生收获了他毕生最得意的弟子，来自新西兰的卢瑟福。如果没有这次研究生招生制度的改革，这个出生、生长在南太平洋岛屿上的年轻人是绝无机会踏入剑桥大门的。当时，在英格兰本岛的人眼中，新西兰是偏远的蛮荒之地，是“劳改犯和思想异端”的流放地。因此，当卢瑟福的母亲把剑桥录取的消息告诉他时，这个正在田里挖土豆的年轻人，兴奋地丢下了手中的锄头，高喊道：“这是我挖的最后一个土豆了!”
卢瑟福来剑桥前，就已经在无线电波领域取得了一些成绩，到卡文迪许后，他把自己的强项又往前推进了一步，成功地将无线电渡信号传输到1公里之外，这在当时是令人瞩目的突破。汤姆生对卢瑟福的能力、坚韧的个性都赞赏有加。他将卢瑟福的成果推荐到皇家学会会报上发表，并让卢瑟福在皇家学会和大英科学促进协会的年会上报告、演示成果。一个受惠于新的研究生制度，来剑桥不到一年时间的年轻科学家就引起科学界如此大的关注，这不得不让某些“老剑桥”感到别扭。当时一位剑桥知名的学者巴尔弗就不无酸涩地说：
“我们从地球的对面搞来一只野兔，它的洞打得很深!”
事实上，卢瑟福的无线电波研究并不符合卡文迪许当时的主攻方向气体放电，因此，3年后他离开了这里。这次离去只是小别，数年后卢瑟福将会以全新的身份，更辉煌的成就再次走人卡文迪许的大门。
研究生制度改革的旗开得胜让汤姆生的改革计划更大胆，更放得开。汤姆生在实验室设立了一个固定的午后茶话会，不分教授学生、不分长幼，不分种族信仰，大家集聚一堂，海阔天空，随意谈论。特别是那些来自世界各地的访问学者，总能将一地的风土人情，科研新知带到卡文迪许。除了物理，人们还谈美国总统选举、谈艺术、谈宗教，阳光底下一切的事物都能成为茶话会上的话题。汤姆生夫人为茶话会准备了茶点，大家边吃边聊，互相切磋，总能收获意想不到的智慧火花。久而久之，卡文迪许实验室的茶话会声名远播，许多外国的访问学者慕名前来，不为别的，只是要亲身感受一下交流的乐趣。
1895年，汤姆生还在卡文迪许设立了圣诞餐会。每年的餐会上，卡文迪许都会邀请几位在这里工作、学习过并取得重要科学成就的校友回来，与大家畅叙友情，分享人生经验。在圣诞餐会上，学生们还会准备几首诗歌来颂扬自己的老师或实验室，如此一来，餐会就浸润在一片诗意之中。
1904年的圣诞餐会上，一个青年学者朗诵了这样一首诗：
当教授解答了一个新的谜底
或者发现了一个新的事实
他会高兴得像一把提琴
走到茶室里坐在中间
诙谐地谈论着太阳底下一切的事情
诗中所指当然就是汤姆生。汤姆生与学生间的关系极为融洽，因此在他的带领下，卡文迪许的队伍日渐壮大。而那些出现在圣诞餐会上的打油诗，也被有心的人编成诗集出版，成为广为流传的佳话。
汤姆生对卡文迪许的改革还包括：开创招收女研究生的先例，他的妻子正是卡文迪许实验室的研究生；将研究生招生范围从英殖民地扩展到全世界，1920年法国青年物理学家郎之万的到来成为卡文迪许历史上第一个来自非英殖民地的研究生。此时，卡文迪许实验室业已成为第一个世界性的科学组织。
汤姆生是历史上任职卡文迪许实验室教授时间最久的人，长达35年。他发明电子，创立面向世界招生的研究生制度，是1895年卡文迪许实验室实现历史转折的组织者。在他任内，培养了一大批世界级的实验物理学家，他们是：发现α、β、γ射线及原子核的卢瑟福、发现热离子的理查森、发明云室的威尔逊、发现晶体对X射线的衍射现象及测定晶体点阵结构常数的布拉格父子等。在这段时期里，卡文迪许实验室为世界先后贡献了8位诺贝尔奖获得者(尚不包括汤姆生本人)，为世界各国培养了82个物理学教授。
卸任卡文迪许教授后，汤姆生成为了剑桥圣三一学院的院长，但他仍兼任卡文迪许实验室的无薪教授，直至1940年逝世。