Томсон Джозеф Джон родился в 1856 году в пригороде Манчестера, в семье продавца книг. В 14 лет Джозеф поступил в колледж Оуэна (впоследствии Манчестерский университет). Затем он продолжил образование в Кембриджском университете.
Внимание многих физиков в то время привлекали проблемы электричества и магнетизма.
Томсон заинтересовался вопросом о физической природе электрических зарядов, точнее - вопросом о носителях зарядов. Он начал с исследования токов в разреженных газах, чем занимались тогда и в ряде других лабораторий. Первое, что обнаружил Томсон, - что проводимость газов под воздействием рентгеновских лучей увеличивается.
Тогда он решил исследовать катодные лучи, то есть лучи, исходящих из катодов (отрицательных электродов) разрядных трубок. Об их физической природе высказывались тогда различные мнения. Большинство немецких физиков полагало, что это - волны, подобные рентгеновским лучам, тогда как английские видели в них поток частиц. В 1894 году Томсону удалось измерить их скорость, которая оказалась в 2000 раз меньше световой, что явилось убедительным доводом в пользу корпускулярной гипотезы.
Через год французский экспериментатор Жан Перрен выяснил знак электрического заряда катодных лучей: попадая на металлический цилиндр, они заряжали его отрицательно. Оставалось определить массу частиц. Эту проблему с блеском смог разрешить Томсон. Но, прежде чем начать эксперимент, он обратился к теории и рассчитал, как должна двигаться заряженная частица в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Отклонение такой частицы получалось зависящим от отношения ее заряда к массе. Начался эксперимент. Его результаты показали, что масса частиц почти в 2000 раз меньше. чем у самых легких ионов - ионов водорода. Что же касается заряда, то у ионов он уже был надежно вычислен на базе опытов по электролизу и оказался положительным. Поскольку атом водорода имеет нулевой заряд, это наводило на мысль, что существуют равные по величине и противоположные по знаку носители дискретных порций электрических зарядов.
Те частицы, которые входили в состав катодных лучей, были вскоре названы электронами. Их открытие было одним из важнейших достижений физики конца 19-го века, и оно непосредственно связано с именем Томсона, удостоенного за него в 1906 году Нобелевской премии.
В том же 1897 году, когда было зарегистрировано открытие электрона, Томсон обратился к проблеме атома. Придя к убеждению, что, вопреки своему названию, атом не является неделимым, Томсон предложил модель его устройства. По этой модели атом выступал в виде положительно заряженной «капли», внутри которой «плавали» маленькие отрицательно заряженные шарики - электроны.
Опыты, проведенные впоследствии в той же кавендишевской лаборатории преемником Томсона, Э. Резерфордом заставили отказаться от этой модели в пользу «планетарной» модели, так как Резерфорд открыл, что внутри атома есть очень малое ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома.
При исследовании рассеяния рентгеновских лучей Томсон пришел к формуле, носящей его имя и описывающей рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах. Эта формула и поныне играет видную роль в физике элементарных частиц.
Томсон был одним из ярчайших физиков-классиков. Он сыграл большую роль в становлении квантовой теории.
Но он до конца дней сохранял веру в существование механического эфира. По отношению к квантовой теории он довольно долго оставался в положении скептического наблюдателя и изменил мнение о ней лишь после того, как его сын Джордж Паджет Томсон на опыте обнаружил волновые свойства у электронов (за что был удостоен в 1937 году Нобелевской премии).
Томсон сыграл огромную роль в формировании международной школы физиков. В 1918 году Томсон вышел в Кавендише в отставку, передав ставшую знаменитой благодаря ему лабораторию Резерфорду.
Томсон умер в 1940 году в возрасте 83 лет. Он был похоронен в Вестминстерском аббатстве.