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Thomson nació en 1856 enCheetham Hill, un distrito deMánchester en Inglaterra, y tenía ascendencia escocesa. En 1870 estudió ingeniería en el Owens College, hoy parte de la Universidad de Mánchester, y se transladó alTrinity College de Cambridge en 1876. En 1880, obtuvo su licenciatura en Matemáticas (Segunda Wrangler y segundo premio Smith) y MA (obteniendo elPremio Adams) en 1883. En 1884 se convirtió en profesor de Física enCavendish. Uno de sus alumnos fueErnest Rutherford, quien más tarde sería su sucesor en el puesto.
En 1890 se casó con Rose Elizabeth Paget, hija de sir Edward George Paget, médico, entonces Regius Profesor de Medicina (Regius Professor of Physic) en Cambridge. Con ella, fue padre de un hijo, George Paget Thomson, y una hija, Joan Paget Thomson. Su hijo se convirtió en un destacado físico, quien a su vez fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1937 por demostrar las propiedades de tipo ondulatorio de los electrones.
J.J. Thomson fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1906, «en reconocimiento de los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales en la conducción de la electricidad generada por los gases». Fue nombrado caballero en 1908 y nombrado en la Orden del Mérito en 1912. En 1914 dio el Romanes Lecture en Oxford sobre la teoría atómica. En 1918 fue nombrado rector del Trinity College de Cambridge, donde conoció a Niels Bohr, donde permaneció hasta su muerte. Murió el 30 de agosto de 1940 y fue sepultado en la Abadía de Westminster, cerca de sir Isaac Newton.
Thomson fue elegido miembro de la Royal Society el 12 de junio de 1884, y posteriormente fue su presidente de 1915 a 1920.