Джемс Прескотт Джоуль родился 24 декабря 1818 года в местечке Санфорд близ Манчестера (Англия) в семье богатого пивовара. Джоуль получил неплохое домашнее образование: в течение нескольких лет его учил элементарной математике, натуральной философии (физике) и началам химии известный английский физикохимик Дальтон. Общение с Дальтоном оказало влияние на формирование научных интересов Джоуля и его подхода к изучению физических явлений.
С девятнадцати лет Джоуль уже занимался самостоятельными исследованиями. Изучая магнитные явления, он в 1840 году обнаружил эффект магнитного насыщения, а в 1842 году открыл явление магнитострикции.
Параллельно с изучением магнитных явлений Джоуль занимался определением эффективности электрических машин.
Под влиянием работ М. Фарадея в 1840 году Джоуль обратился к изучению тепловых эффектов электрического тока, результатом чего стало открытие закона, называемого теперь законом Джоуля–Ленца (в 1842 году независимо от Джоуля закон теплового действия тока был открыт русским физиком Ленцем).
После завершения исследования тепловых эффектов тока в 1843 году перед ученым возникла новая проблема – доказать существование количественного соотношения между «силами» (так в то время называли различные виды энергии) различной природы, приводящими к выделению теплоты. Первые опыты заключались в измерении нагревания жидкости, помещенной в постоянное магнитное поле, в которой под действием опускающегося груза вращался небольшой электромагнит. Это позволило в 1843 году впервые определить механический эквивалент теплоты. Затем в последующие годы эта величина определялась и другими методами путем измерения теплоты, которая выделялась в различных процессах: при продавливании некоторого количества жидкости сквозь узкие трубы, при сжатии газа, при вращение мешалки в сосуде, наполненном жидкостью. Все эти многочисленные опыты привели Джоуля к убеждению, что «могучие силы природы, созданные велением творца, неразрушимы, и что во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точно эквивалентное количество теплоты».
В 1847 году Джоуль познакомился с известным физиком У. Томсоном (лордом Кельвином), который высоко оценил его искусство экспериментатора. Именно опыты Джоуля побудили Томсона окончательно перейти на позиции кинетической теории теплоты. Результатом их сотрудничества стало открытие эффекта изменения температуры газа при его адиабатическом протекании через пористую перегородку, который сейчас называется эффектом Джоуля – Томсона.
К концу 40-х годов авторитет Джоуля в научном мире настолько вырос, что в 1850 году он был избран членом Лондонского Королевского общества. В 1867 году комиссия Британской ассоциации содействия развитию науки, которая занималась разработкой эталона электрического сопротивления, предложила Джоулю провести особо точные измерения механического эквивалента теплоты.
В 1848 году, после завершения серии опытов по определению механического эквивалента теплоты, Джоуль выступил с докладом, в котором осветил свои теоретические представления о природе теплоты и физических свойствах газов. Представляя молекулы газа как упругие шарики, он рассматривал давление газа как результат ударов этих шариков о стенки сосуда.
К другим работам Джоуля относятся исследования тепловых явлений при сжатии и расширении газа, в частности опыт с расширением разреженного газа показал, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от его объема.
.