William Thomson az írországi Belfastban született 1824. június 26-án. Apja matematikatanár volt, aki fiát tízéves koráig maga tanította, s a fiatal fiú így sokoldalú műveltségre tett szert. Amikor az apát meghívták a glasgow-i egyetemre, ő a nagyon tehetséges tízesztendős fiát beíratta egyetemi hallgatónak. William megbirkózott a nem könnyű feladattal. Érdeklődését kezdetben Laplace munkái, valamint Fourier-nak a hő vezetését tárgyaló dolgozatai kötötték le. Tizenhat éves korában átment a cambridge-i egyetemre, később pedig egy esztendőre Párizsba, ahol a Regnault-féle laboratóriumban dolgozott. Itt ismerkedett meg közelebbről a kísérleti fizikával. Huszonkét éves korában visszatért Glasgow-ba, mert meghívták fizikatanárnak az egyetemre. Ettől kezdve itt tanított és kutatott egész életén át. Szerény fizetéséből csakhamar laboratóriumot rendezett be magának egy elhagyott borpincében. Itt kezdte el önálló kutatásait a fizika több területén is, de főképp a hő- , az elektromosság- és a mágnességtan érdekelte.

1848-ban adta ki első nagyobb munkáját, amely a termodinamikával (hőtannal) foglalkozott, s amelyben Carnot hőelméletének alapján bevezette az abszolút hőmérsékleti skálát. (Az abszolút hőmérsékleti skála nullapontja -273,16 °C, és 1° hőmérséklet-különbség ugyanakkora, mint a Celsius-féle skálán. Tehát pl. 20 °C hőmérsékletnek 20+273,16=293,16 K felel meg. K a Kelvin-fok jele, az új szabvány szerint a ° fokjel nélkül írandó. A Kelvin-féle hőmérsékleti skála nullapontját a hőmérséklet abszolút nullapontjának nevezik. Ez a legalacsonyabb hőmérséklet, amely elvileg tetszőleges mértékben megközelíthető, de el nem érhető.) Két évvel később elméletileg is megindokolta, miért függ az olvadáspont a nyomástól.

1851-ben jelent meg A dinamikus hőelméletről című munkája, amelyben Rudolf Clausiushoz hasonlóan Carnot alapelvéből kiindulva fogalmazta meg a termodinamika második főtételét. Ez a fontos tétel a fizika egyik alapköve. (A termodinamika második főtétele az önként végbemenő energia-hőátalakulások irányát határozza meg. Egyik megfogalmazása szerint a hő hidegebb testről melegebbre nem juthat át anélkül, hogy a környezetben egyidejűleg más változások ne történnének. A hűtőszekrény  működése közben állandóan szállít hőt a hidegebb szekrényből a melegebb környezetbe, de nem önként, hanem csak külső energia — elektromosság — felhasználásával. Ha az áramot kikapcsoljuk, a  hőszállítás megszűnik, és a hűtőszekrény "magától" felmelegszik a környezet hőmérsékletére.)

Thomson több kísérletet, mérést James Prescott Joule-lal közösen végzett el. Így az 1853-1854-es években azt vizsgálták, hogy miként változik a kitáguló gázok hőmérséklete, és felfedezték azt a jelenséget, amit később Joule-Thomson-féle jelenségnek neveztek el a fizikusok. Ennek lényege, hogy a gázok kiterjedés közben lehülnek, összenyomva pedig felmelegszenek.
Már cambridge-i diák korában sokat foglalkozott elektromos jelenségekkel. 1853-ban elméletileg megmagyarázta a leideni palack szakaszos kisülését, és fontos "képletet" állított fel az elektromos rezgőkör rezgésidejére. A rezgőkör a rádió- és általában az elektrotechnikának nélkülözhetetlen eleme: kondenzátort, önindukciós tekercset és ellenállást tartalmazó áramkör. Thomson kimutatta, hogy a rezgésidő a kapacitástól (C) és az öninduktivitástól (L) függő mennyiség.
Az elektromágneses rezgések vizsgálatával Thomson nagymértékben járult hozzá a rádiótechnika fejlődéséhez. Tanulmányozta az elektromos jelek hosszú kábeleken való terjedését is, és módszert dolgozott ki a jelek késésének csökkentésére. Enélkül a transzatlanti, tenger alatti távírókábelek megvalósítása lehetetlen lett volna. Ebben a munkában Thomson személyesen is részt vett. Számos műszert talált fel — összesen hetven szabadalma volt — s ezek közül a tükrös galvanométer bizonyult a legfontosabbnak. Sokáig nélkülözhetetlen volt az a készüléke is, amelyet a távírójelek automatikus regisztrálására szerkesztett. A kábelfektetési munkák befejezte után főképp hidrodinamikai és mechanikai kérdésekkel foglalkozott. Megpróbált magyarázatot adni a nehézségi erőre, és felállított egy hipotézist, hogy az atomok az éter bizonyos örvényei. (Ez az elmélet nem bizonyult helyesnek.) Thomson a fizika mechanisztikus felfogásának volt a híve, s a természetben előforduló minden jelenséget mechanikai kölcsönhatásokra igyekezett visszavezetni. 1890-ben a londoni Királyi Társaság elnökévé választották. Két  évvel később nemességet kapott Lord Kelvin of Largs címmel.
Egyetemi tanári állásáról 1899-ben lemondott, és visszavonult nepherhalli kastélyába. 1907. december 17-én halt meg Londonban. Koporsóját a Westminster-apátságban helyezték el, Newton sírhelye közelében.

Készült: Materny Károly összeállítása alapján