Segundo hijo de ocho hermanos. Su madre murió cuando tenía seis años de edad. Y su padre fue profesor en la universidad de Belfast y de Glasgow. Thomson comenzó los estudios universitarios a los 14 años, estudiando astronomía y química en la universidad de Glasgow. Al año siguiente, estudió física en donde obtuvo conocimientos acerca del calor, la electricidad y el magnetismo gracias al interés en esta universidad acerca de autores como Langrage, Laplace , Legendre, Fresnel y Furier. A los 15 años ganó una medalla de oro con un ensayo sobre la figura de La Tierra.
En 1841, Thomson ingresa a la universidad de Cambridge. En 1842 publicó un artículo sobre el movimiento uniforme del calor y su conexión con la teoría matemática de la electricidad. En 1845 se graduó y obtuvo el primer premio Smith. Luego se dirigió a París durante un año al laboratorio del físico Henri-Victor Regnault, quien por aquel entonces llevaba a cabo sus clásicas investigaciones sobre las propiedades térmicas del vapor y su aplicación a las máquinas de vapor. En 1846, a los veintidós años, fue nombrado catedrático de física de la Universidad de Glasgow. En 1847 conoció a Joule en el curso de una reunión científica celebrada en Oxford y a pesar de que el resto de científicos no lo aprobaran, Thomson fue uno de los pocos que apoyó el primer principio de la termodinámica de Joule. En 1848 Thomson crea la escala termodinámica para la temperatura, de carácter absoluto, cuyo cero lo situó en –273° C. Comprobó que el punto de fusión del hielo desciende al aumentar la presión y que la temperatura disminuía cuando el gas se expandía por los poros vacíos (efecto Joule –Thomson). Después de de esto último, se le concedió el título de Lord Kelvin, y en su honor se le llamó así a dicha escala.
Entre 1847 y 1849 colabora con Stokes en los estudios hidrodinámicos que posteriormente aplicó Thomson a las teorías de la electricidad y atómica. Entre 1848 y 1852 desarrolló trabajos que le colocan entre los fundadores de la termodinámica. Con sus textos consiguió que las conclusiones acerca del primer y segundo principio de la termodinámica fueran aceptadas por todo el mundo.
El científico además dirigió los trabajos de colocación del cable telegráfico submarino que unía Irlanda con Terranova. Como receptor se utilizó el galvanómetro de espejo inventado por Thomson y más sensible que el aparato de Morse; en 1867 perfeccionó el galvanómetro con el siphon recorder, mediante el cual se plasmaban en tinta las oscilaciones de aquél. Diseñó el «puente de Thomson», que consistía en un circuito eléctrico diseñado para medir el valor de una resistencia comprendida entre 0,0001 y 0,01 ohms. Descubrió el "efecto Thomson" en termoelectricidad, el cual consiste en el calentamiento o enfriamiento producido en un conductor homogéneo al paso de la corriente eléctrica. Entre 1873 y 1878 modificó y mejoró la brújula. Inventó un analizador utilizado para predecir las mareas.
Publicó más de 600 artículos. Fue nombrado miembro y posteriormente presidente de la Royal Society of London, de la Royal Society of Edinburgh y de la British Association for the Advancement of Science. Recibió la Royal Medal y la Copley Medal. Se casó con Margaret Crum (prima segunda suya) en 1852 y en 1874 con Frances Anna. Cuando falleció en 1907 en Escocia fue enterrado en la Abadía de Westminter, junto a Isaac Newton.
