汤姆生出生于英国的曼彻斯特，他的父亲是苏格兰人，以卖书为业。汤姆生从小聪明好学，十四岁就进入了曼彻斯特的欧文学院学习工程。但是，由于了家境贫寒，当时的学生学习工程又需要大笔的学费，于是，迫于经济压力，汤姆生改学物理。
１８７６年，他进入剑桥大学的三一学院学习，毕业以后，进入了卡文迪许实验室，在导师的指导下，进行电磁场理论的实验研究。汤姆生年纪轻轻，却在物理实验研究中，显示出了非凡的天分。再加上他的刻苦好学，他在二十八岁时，就当选为英国皇家学会的会员，不久之后，开始担任实验室的教授。
当时，人们还不知道原子是可以被细分的，人们只知道离子是一种带电的粒子，并且还测出了一些离子的电荷与质量的比－－荷质比。
当时，在物理学界，关于阴极射线的研究，有两派学说，一派认为阴极射线是一种带负电的“分子流”；另一派认为阴极射线是一种电磁波。长期以来，这两大学派各持己见，争论不休。为了弄清楚阴极射线是由什么粒子组成的，汤姆生决定测定阴极射线的荷质比。
汤姆生用“旋转镜法”测量了阴极射线的速度，否定了阴极射线是电磁波这一说法；他又通过阴极射线在电场和磁场中的偏转，得出了阴极射线是一种带负电的粒子流的结论。汤姆生并不满足于已有的结论，他进一步测定了这种粒子的比荷，并与当时已知的在电解中生成的氢离子的荷质比进行了比较，最后，他发现阴极射线粒子的质量约为氢原子的千分之一。他还在放电管中充入各种气体，进行试验，发现阴极射线的荷质比跟管中气体的种类无关。他又用铅和铁分别作电极，其结果仍然一样。于是，他得出结论，这种粒子一定是所有物质的共同组成成分汤姆生把这种粒子叫做“电子”。
电子的发现，在物理学史上具有划时代意义。它不仅使人类对电现象有了更本质的认识，还打破了原子是不可分的最小单位的观点。因此，汤姆生的关于电子的实验，是物理学发展史上最着名的经典实验之一。汤姆生由于他对于物理学的杰出贡献，被授予了一九零六年的诺贝尔物理学奖。