汤姆森出生在英格兰曼彻斯特郊区。他父亲经营一家书店。从他还是个孩子的时候，他就接触了许多拜访他家的学者。学者们积极的科学思想和广博的知识对他的成长产生了深远的影响。他从小就喜欢思考。当他上小学的时候，他仔细地看着挂在卧室里的秋千，写下了他的第一篇小论文。
当他在珀西中学学习的时候，他用他父亲给他的工具制作了各种各样的船模。最让他高兴的是，在他稍长一点的密友法伦的帮助下，他制作了一个潜艇模型，并成功地操纵它在拜伦池塘潜行了一英里。船舶模型制作训练了他的手工技能，展示了他的创造能力，学习了使他受益终生的工程和机械知识，享受了发明和创造的乐趣，并增加了他对科学研究和航海的兴趣。14岁时，他因论文《蒸汽取代风帆对海战的影响》获得了美国海军协会的年度大奖正是在这一年，他父亲的朋友建议他去欧文斯学院学习。不幸的是，他的父亲在他上学的第二年去世了。由于家里经济困难，他不得不停止深造。但是他仍然坚持努力学习，自学成才。
19岁时，他被英国剑桥大学三一学院录取，以优异的成绩学习数学。他凭借优异的成绩不断获得奖学金，直到大学毕业。23岁时，他参加了剑桥大学的学位考试，并以优异的成绩获得了数学和自然科学学士学位。毕业后，他在卡文迪什实验室研究了由放电管中的正射线产生的原子自由基，还研究了飞机绕行时的隐身问题。他25岁时被提升为讲师。汤姆森的科学研究能够得到当时著名物理学家卡文迪什实验室主任瑞利的发现和赞赏。英国的“伯乐”让每个人都感到惊讶，并让27岁的数学家汤姆森接替他担任物理实验教授和卡文迪什实验室主任。尽管当时许多科学家持怀疑态度，但实践证明汤姆森完全胜任这项工作。
自19世纪70年代以来，物理学界对阴极射线的性质形成了两种截然相反的观点。以英国科学家克鲁克斯和法国物理学家佩林为代表的一个小组认为阴极射线是一种带负电的粒子流。另一组以德国著名物理学家赫兹和戈尔茨坦为代表，认为阴极射线是电磁辐射。这两种观点激烈地争论了20多年，但没有一种观点反驳另一种观点。
1897年，汤姆森在卡文迪什实验室用实验方法测量了阴极射线粒子流的速度和它的电荷质量比(现在称为电子的电荷质量比e/m)作为一个常数值。还发现这些值与真空管中包含的气体和制造阴极的材料无关。这个实验结果是一个伟大的发现，证实了电子的存在。当时，他称这种粒子流为“阴极粒子”汤姆森证明了阴极粒子(现在称为电子)是带有一定电荷和质量的粒子。
汤姆森比他同时代的人更早发现电子。一方面，他能够突破旧的传统物理概念，大胆宣布世界上有比原子小的粒子——电子。另一方面，这也离不开他扎实的理论物理和实验物理知识。他的丰功伟绩被称为“电子之父”。
在过去的20年里，汤姆森花费了大量的精力研究电子通过真空管时的绿光问题。根据其他科学家的实验结果和他自己的实验，阴极射线以直线传播，阴极射线在磁场中弯曲，所以它们不是光。就这样，汤姆森开始在他的脑海中形成这不是一条射线，而是一个“粒子流”。为了证明这些“粒子流”是带电的，他做了一个实验。真空管中装有一个带有两块金属板的电容器。电容器的两个电极连接到DC高压电源。当这些粒子通过电容器中的静电场时，粒子流也会弯曲。这个实验证明这些粒子是带电的，并进一步证实它们是带负电的粒子。为了找出阴极射线的本质是什么？必须确定阴极射线的一些基本物理量。
汤姆森在卡文迪许实验室设计了一个实验仪器来进行实验。他将测得的粒子流的荷质比与已知的氢离子荷质比进行了比较，发现粒子流的荷质比大约是氢离子荷质比的2000倍，而汤姆逊通过实验测得的这些粒子的荷质比大约等于氢离子的荷质比。因此，他证明了这些“粒子”的质量约为氢原子质量的1/2000(精确测定值约为1/1837)。汤姆森最终通过实验证明了电子的存在。他对各国科学家花了几十年研究的问题做出了结论。汤姆森还在洛仑兹电子理论中推断出这些“粒子”是电子，并认为电子是任何原子的基本成分之一，提出原子不再是不可分割物质的最小单位。
汤姆森发现电子后几年，根据大量的实验结果和理论分析，他提出了著名的汤姆森原子结构模型——人们称之为“李子布丁”。由于这种原子模型能解释许多实验结果，并包含许多理论，所以在7 ~ 8年内已被所有人所认识。后来，由于难以解释电子在金属箔上的散射实验，这个理论逐渐被他的学生新西兰物理学家卢瑟福提出的原子行星模型所取代。
汤姆森是一个务实勤奋的人。他能很快意识到自己工作的重要性，迅速做出决定并立即采取行动。他在工作中不怕困难和困难。正是这种面对困难的务实精神和勇气，使他能够充分利用机会，发挥自己的才能，做出杰出的贡献。