湯姆生1856年12月18日出生在英國的曼徹斯特市郊，他的父親是一個圖書銷售和出版商.由於職業的關係，他父親結識了曼徹斯特大學的一些教授，這使湯姆生從小就受到科學家的影響，並養成了勤奮好學的習慣.經過努力，湯姆生14歲時就進入曼徹斯特的歐文斯學院學習.不幸的是，在他16歲的時候，他的父親去逝了，這給他家的經濟生活帶來了很大的困難，但他對學習仍不放鬆.在歐文斯學院教師雷諾茲的指導下，加上他自己的刻苦鑽研，學業有了很快提高.
湯姆生最初的志向是成為一名工程師，但這個願望隨着他父親的去逝，變得不再可能.因為那時候，想成為一名工程師，必須先與某一個工程公司建立一種關係，並要付出一筆豐厚的中介資金.由於湯姆生家裏沒有足夠的錢供給他，所以他不得不放棄當工程師的願望.然而，湯姆生在歐文斯學院3年的學習期間，數學成績極為出色，在雷諾茲老師的教導下，養成了“寧可獨立思考也不查閲文獻”的研究新問題的習慣.後來，他又轉到劍橋大學的三一學院學習，24歲時獲得了學士學位.由於他學業成績優異，特別是數學成績名列第二名，從而成為第二個獲得斯密斯獎學金的人.在他拿到數學學位之後，進入由瑞利教授領導的卡文迪許實驗室工作.從此便開始了他一生勤奮努力的科研生涯，並在後來的科學研究中取得了很大的成就.他的第一篇重要論文是關於麥克斯韋電磁理論在帶電球體的運動中的應用.文中指出，帶電球可以具有電荷產生的表現附加質量，其大小與靜電能量成正比，這是朝向愛因斯坦著名的質能等價定律邁出的第一步.此後，他的研究成果不斷問世.在1883年至1936年間，他發表了大量的科學論文、著作，其中包括1884年發表的《論渦旋的運動》（渦旋的理論文章不僅使他得到獎金，而且導致他開始進行氣體放電的實驗研究工作）、1892年發表的《電學與磁學的新近研究》、1897年發表的《氣體的放電》、1927年發表的《化學中的電子》、1936年發表的《重集合與反射》等.而1897年的《氣體的放電》是他最重要的著作之一，他在實驗中，通過大量對陰極射線的實驗研究，測定了電子的荷質比，從實驗上發現了電子的存在。後來他又發現了電子的許多性質，指出電子像氣體中的導電體，又像原子中的組分.他同阿斯頓合作，找到了有力的證據，證明元素氣體氖至少有兩種不同重量的原子.1912年，他通過對某些元素的相隧射線的研究，指出了同位素的存在.由於他在氣體放電理論和實驗研究方面所做出的巨大貢獻，獲得了1906年度的諾貝爾物理學獎，並作了題為《負電的載流子》的獲獎演説.他被科學界譽為“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”.此外，由於湯姆生的非凡能力和科學貢獻，他一生中擔任過許多重要職務並獲得許多榮譽.早在1884年他就接替瑞利擔任了卡文迪許實驗室教授（即實驗室主任）；1905年至1918年，他在“大不列顛皇家研究院”擔任自然哲學教授，1908年被封為勛爵，1909年被選為大不列顛協會會長，1912年獲得梅里特勛章，1916年至1920年被選為皇家學會會長，1918年以後，成為劍橋大學三一學院院長並辭去卡文迪許實驗室教授職務，擔任榮譽教授，繼續在卡文迪許實驗室工作，並指導青年研究生，直至1940年8月30日逝世.
湯姆生既是一位理論物理學家，又是一位實驗物理學家，他一生所做過的實驗是無法計算的.他一生的科研成就與他的重實驗、講理論、強調理論與實驗相結合是分不開的.他不僅是位科學巨匠，還是一位優秀的導師.他在擔任卡文迪許實驗物理學教授及實驗室主任的34年間，培養出了眾多的青年科學家.他對學生要求非常嚴格，要求他們在研究之前，必須學習好所需要的實驗技術和有關理論；進行研究所用的儀器必須自己動手製作，開動腦筋.他認為大學應是培養會思考、有獨立工作能力人才的場所，而不是用“現成的機器”製造出“死的成品”的工廠.他要求學生不僅是實驗的觀察者，更是實驗的設計者.他的教育方法是成功的，在他的學生中，有九位獲得了諾貝爾獎，更多的成了世界各地的科學帶頭人.
湯姆生是一位同時在科學研究、科學教育領域裏做出巨大貢獻的偉人.然而，他的成就來源於什麼呢？他的兒子G·P·湯姆生（1937年諾貝爾物理學獎獲得者）在他父親百年誕辰紀念大會上作出了精闢的回答：創造力和熱情.湯姆生在科學研究和科學教育中的極大創造力和極端熱情，使他獲取了巨大的成功，並揚名於世.由於他崇高的聲譽，在他逝世後，骨灰被安葬在英國西敏寺的中央，與牛頓、達爾文、開爾文等偉大科學家的骨灰安放在一起.