Sformułowana przez niego w 1854 druga zasada termodynamiki wyklucza istnienie tak zwanego perpetuum mobile drugiego rodzaju, czyli silnika cieplnego wykorzystującego tylko ciepło pochodzące z jednego zbiornika ciepła (czyli pracującego bez wykorzystywania różnicy temperatur).
W 1856 odkrył jedno ze zjawisk termoelektrycznych, zwane zjawiskiem Thomsona. Rok później odkrył zjawisko magnetooporowe. W 1862 wraz z Joulem opisał zjawisko Joule’a-Thomsona.
Praca nad urządzeniami wykorzystywanymi na morzu doprowadziła do skonstruowania miernika pływów, urządzenia prognozującego oraz ulepszonego kompasu, a także do uproszczenia metody określania pozycji statku na morzu.
W swych badaniach zajmował się teorią potencjału sprężystości oraz hydrodynamiką.
Skonstruował i udoskonalił wiele przyrządów, na przykład mostek elektryczny i elektrometr absolutny.
Prace naukowe Treatise on natural philosophy (1867) Mathematical and physical papers (1882–1912, 6 tomów) The second Robert Boyer lecture, J. Oxford Univ. Junior Sci.