Nato a Cheetham nel pressi di Manchester, il 18 dicembre del 1856 da genitori scozzesi, Joseph James and Emma Swindells, studiò ingegneria all'Owens College (oggi parte dell'Università di Manchester), per poi andare al Trinity College di Cambridge. Nel 1884 diventa Cavendish Professor in fisica all'Università di Cambridge. Quindi, nel 1890, sposa Rose Paget: dal loro matrimonio nasceranno due figli. Uno dei suoi studenti, Ernest Rutherford, continuò in seguito il suo lavoro.
Influenzato dagli studi di Maxwell e dalla scoperta dei raggi X, egli dedusse che i raggi catodici erano composti da particelle di carica negativa, che chiamò corpuscoli, e che sono oggi noti come elettroni. In precedenza George Johnstone Stoney aveva presupposto l'elettrone come l'unità di carica in elettrochimica, ma Thomson comprese subito che in realtà esso era una particella subatomica, la prima ad essere scoperta
La sua scoperta gli portò una certa notorietà (1897) e gli consentì di vincere il Nobel in fisica nel 1906: per ironia della sorte il figlio George Paget Thomson ricevette alcuni anni più tardi (1937) lo stesso premio ma per aver dimostrato che l'elettrone è, di fatto, un'onda (vedi anche dualità onda-corpuscolo).
Nel 1912 realizzò il primo spettrometro di massa (allora chiamato parabola spettrografica), uno strumento che consentiva di determinare il rapporto tra la massa e la carica degli ioni e che da allora è diventato uno strumento molto utilizzato nella chimica.
Prima dello scoppio della Prima guerra mondiale, fece ancora un'altra grande scoperta: quella degli isotopi. Nel 1918 diventa Master al Trinity College di Cambridge, dove resta fino alla sua morte, avvenuta in 30 agosto del 1940. Il suo corpo è stato sepolto nell'Abbazia di Westminster, accanto ad Isaac Newton.
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