Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в пригороде Манчестера Читем-Хилле. В возрасте 14 лет его определили в Оуэнс-колледж (ныне Манчестерский университет), а затем он продолжил образование в Тринити-колледже Кембриджского университета. Именно тогда Томсон увлекся физикой и математикой, а важную роль в его карьере сыграли курсы экспериментальной физики при колледже.
В 1880 году он окончил обучение, получив степень бакалавра по математике, и уже на следующий год был избран членом ученого совета Тринити-колледжа и начал работать в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Первая статья Томсона, опубликованная в 1880 году, была посвящена электромагнитной теории света. В следующем году появились еще две работы.
Научные успехи Джозефа были высоко оценены руководителем лаборатории Кавендиша Рэлеем. Уходя в 1884 году с поста директора, он рекомендовал своим преемником Томсона, который с этого времени стал руководителем Кавендишской лаборатории и одновременно был профессором Кембриджского университета и Королевского института в Лондоне.
Наибольшую известность Томсону принесли его исследования, связанные с открытием электрона в 1897 году. Занимаясь изучением прохождения электрического тока через разреженные газы, он не только открыл электрон, но и определил его заряд, а также впервые измерил отношение заряда электрона к массе, разработал теорию движения электрона в магнитном и электрическом полях. За открытие электрона Томсон в 1906 году был удостоен Нобелевской премии по физике.
Согласуясь со своими открытиями, ученый предложил новую модель атома. Хотя опыты, проведенные впоследствии преемником Томсона, Э.Резерфордом заставили отказаться от данной модели, но она сыграла важную роль в формировании представлений о строении материи.
Томсон – один из основоположников классической электронной теории металлов. Им получено выражение для эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами (формула Томсона). Эта формула и поныне играет видную роль в физике элементарных частиц. Важна роль ученого в открытии фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии, а его исследования «каналовых» лучей легли в основу масс-спектрометрии.
Томсон дал объяснение непрерывного спектра рентгеновского излучения, установил природу положительных ионов, разработал так называемый метод парабол для измерения отношения заряда частицы к ее массе, который сыграл большую роль в исследовании изотопов.
В 1918 году Джозеф вышел в Кавендише в отставку, передав лабораторию своему ученику Э.Резерфорду, и возглавил Тринити-колледж в Кембридже.
Большое значение имела не только научная, но и организационная деятельность Томсона. Кавендишская лаборатория за время, когда он ее возглавлял, превратилась в ведущий исследовательский физический центр и стала научной школой для многих физиков-экспериментаторов. Там под его руководством работали крупнейшие ученые – Э.Резерфорд, Ч.Вильсон, Ф.Астон, У.Ричардсон, Ч.Баркла, П.Ланжевен, Д.Тейлор, Э.Эпплтон и другие.
Джозеф Томсон был одним из ярчайших физиков-классиков, ему принадлежит колоссальная роль в формировании большой международной школы физиков. За научные заслуги он был награжден медалями Франклина, Фарадея, Юза, Копли и другими наградами. В 1908 году ему было пожаловано дворянство, он являлся членом Академий наук многих стран.
Томсон был женат на Розе Пейджет, у них были сын и дочь. Сын Томсона Джордж Пейджт также со временем стал Нобелевским лауреатом по физике (в 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах).
Умер Джозеф Джон Томсон 30 августа 1940 года в Кембридже, был похоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне.