1856年湯姆生出生於英格蘭的曼徹斯特附近,蘇格蘭人家庭。他在曼徹斯特的歐文學院學習了工程學,搬到了劍橋大學三一學院。1884年他成為卡文迪許物理學教授,即卡文迪許實驗室主任。1890年他與露絲·佩傑特結婚,並養育了兩個孩子。他的學生之一是歐內斯特·盧瑟福,盧瑟福於1919年成為湯姆生的繼任者。
受到詹姆斯·克拉克·麥克斯韋工作的影響和X射線的發現,他推導出陰極射線(參見陰極射線管)存在於帶負電的粒子,他稱之為“微粒”,這種微粒現在認識為電子。電子曾經被約翰斯東·斯通尼提出過,作為電化學中電荷的單位,但是湯姆生認識到電子也是亞原子粒子,這一點是第一次被發現。1897年他的發現為人所知,並在科學圈內引起了騷動,並最終於1906年被授予諾貝爾物理學獎。 他的兒子喬治·佩傑特·湯姆生(G.P.Thomson)因證實電子是一種波而在1937年被授予諾貝爾物理學獎(參見波粒二象性)。這些工作的很多是在卡文迪許實驗室完成的。