汤姆生1856年12月18日出生在英国的曼彻斯特市郊，他的父亲是一个图书销售和出版商.由于职业的关系，他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授，这使汤姆生从小就受到科学家的影响，并养成了勤奋好学的习惯.经过努力，汤姆生14岁时就进入曼彻斯特的欧文斯学院学习.不幸的是，在他16岁的时候，他的父亲去逝了，这给他家的经济生活带来了很大的困难，但他对学习仍不放松.在欧文斯学院教师雷诺兹的指导下，加上他自己的刻苦钻研，学业有了很快提高.
汤姆生最初的志向是成为一名工程师，但这个愿望随着他父亲的去逝，变得不再可能.因为那时候，想成为一名工程师，必须先与某一个工程公司建立一种关系，并要付出一笔丰厚的中介资金.由于汤姆生家里没有足够的钱供给他，所以他不得不放弃当工程师的愿望.然而，汤姆生在欧文斯学院3年的学习期间，数学成绩极为出色，在雷诺兹老师的教导下，养成了“宁可独立思考也不查阅文献”的研究新问题的习惯.后来，他又转到剑桥大学的三一学院学习，24岁时获得了学士学位.由于他学业成绩优异，特别是数学成绩名列第二名，从而成为第二个获得斯密斯奖学金的人.在他拿到数学学位之后，进入由瑞利教授领导的卡文迪许实验室工作.从此便开始了他一生勤奋努力的科研生涯，并在后来的科学研究中取得了很大的成就.他的第一篇重要论文是关于麦克斯韦电磁理论在带电球体的运动中的应用.文中指出，带电球可以具有电荷产生的表现附加质量，其大小与静电能量成正比，这是朝向爱因斯坦著名的质能等价定律迈出的第一步.此后，他的研究成果不断问世.在1883年至1936年间，他发表了大量的科学论文、著作，其中包括 1884年发表的《论涡旋的运动》（涡旋的理论文章不仅使他得到奖金，而且导致他开始进行气体放电的实验研究工作）、1892年发表的《电学与磁学的新近研究》、1897年发表的《气体的放电》、1927年发表的《化学中的电子》、1936年发表的《重集合与反射》等.而1897年的《气体的放电》是他最重要的著作之一，他在实验中，通过大量对阴极射线的实验研究，测定了电子的荷质比，从实验上发现了电子的存在。后来他又发现了电子的许多性质，指出电子像气体中的导电体，又像原子中的组分.他同阿斯顿合作，找到了有力的证据，证明元素气体氖至少有两种不同重量的原子.1912年，他通过对某些元素的相隧射线的研究，指出了同位素的存在.由于他在气体放电理论和实验研究方面所做出的巨大贡献，获得了1906年度的诺贝尔物理学奖，并作了题为《负电的载流子》的获奖演说.他被科学界誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”.此外，由于汤姆生的非凡能力和科学贡献，他一生中担任过许多重要职务并获得许多荣誉.早在1884年他就接替瑞利担任了卡文迪许实验室教授（即实验室主任）；1905年至1918年，他在“大不列颠皇家研究院”担任自然哲学教授， 1908年被封为勋爵， 1909年被选为大不列颠协会会长，1912年获得梅里特勋章，1916年至1920年被选为皇家学会会长，1918年以后，成为剑桥大学三一学院院长并辞去卡文迪许实验室教授职务，担任荣誉教授，继续在卡文迪许实验室工作，并指导青年研究生，直至1940年8月30日逝世.
汤姆生既是一位理论物理学家，又是一位实验物理学家，他一生所做过的实验是无法计算的.他一生的科研成就与他的重实验、讲理论、强调理论与实验相结合是分不开的.他不仅是位科学巨匠，还是一位优秀的导师.他在担任卡文迪许实验物理学教授及实验室主任的34年间，培养出了众多的青年科学家.他对学生要求非常严格，要求他们在研究之前，必须学习好所需要的实验技术和有关理论；进行研究所用的仪器必须自己动手制作，开动脑筋.他认为大学应是培养会思考、有独立工作能力人才的场所，而不是用“现成的机器”制造出“死的成品”的工厂.他要求学生不仅是实验的观察者，更是实验的设计者.他的教育方法是成功的，在他的学生中，有九位获得了诺贝尔奖，更多的成了世界各地的科学带头人.
汤姆生是一位同时在科学研究、科学教育领域里做出巨大贡献的伟人.然而，他的成就来源于什么呢？他的儿子G·P·汤姆生（1937年诺贝尔物理学奖获得者）在他父亲百年诞辰纪念大会上作出了精辟的回答：创造力和热情.汤姆生在科学研究和科学教育中的极大创造力和极端热情，使他获取了巨大的成功，并扬名于世.由于他崇高的声誉，在他逝世后，骨灰被安葬在英国西敏寺的中央，与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起.