他在1860年出生於蘇格蘭(Scotland)的愛丁堡(Edinburgh),先後進入愛丁堡學院(Edinburgh Academy)和愛丁堡大學(University of Edinburgh)學習醫學。當他19歲時,就已經在報刊上發表了諸如研究水螅蟲的分類系統和更新世(Pleistocene)時期海豹化石的文章。
在1884年,湯普森受聘為敦提大學學院(University College in Dundee)的生物學教授。他在那裡建起了一座動物學的教學博物館,而後,當這所學院在1897年與聖安德魯斯大學(University of St. Andrews)合併後,他繼續受聘為自然歷史教授,直至逝世。在1896年,英國和美國在白令海峽(Bering Sea)的捕海豹業上發生爭執時,湯普森代表英國參與了協商。為了獎賞他的工作,他在1898年被授予“巴斯榮譽爵位(Companion of the Order of Bath)”的稱號。而在1898年至1939年期間,他還曾是蘇格蘭漁業協會的科學顧問。
在20世紀早期,湯普森對自然歷史科學進行了一場革命,他用數學和物理概念解釋了生物現象。在他的《生長與形態》(On Growth and Form,1917) 一書中,他研究探討了生物形態和構造的發展,以及外力對它們所產生的影響。他闡述了比如蜂巢的六邊形巢室和蝸牛殼上的弧線,以及向日葵種子的螺鏇形狀都是遵循著怎樣的數學原理,並向人們展示了如果向骨頭施壓,鈣分子的柵格形狀是怎樣在骨骼中排列以達到最高效的組織結構。為了說明他的觀點,他將起重機的機械結構與股骨的內部構造進行了比較。
在1931年至1933年期間,湯普森曾是英國皇家學會(Royal Society)的副主席,而在1934年至1939年期間則是愛丁堡皇家學會(Royal Society of Edinburgh)的主席。他在1937年被封為爵士,並在1946年被授予了達爾文獎章(Darwin Medal)。
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