Főként a radioaktivitás és a magfizika területén dolgozott. Már korábban megfigyelték, ha berilliumot -sugarakkal bombázták nagyon nagy áthatolóképességű sugárzás keletkezett. A kísérletet Chadwick fejlesztette tovább és megmutatta, hogy ez a nagy áthatolóképességű sugárzás semleges részecskékből áll, amelyek tömege hozzávetőleg a proton tömegével egyenlő. A részecskéket neutronoknak nevezte el.
Elismerései