Estudià les propietats de la matèria, de la calor i de l’electricitat i es féu famós per les seves recerques sobre termodinàmica, electrodinàmica i termoelectricitat. El 1848 proposà la coneguda escala absoluta de temperatures, que duu el seu nom. Formulà les lleis de la termodinàmica (primer i segon principis) i estudià, juntament amb J.P. Joule, les expansions dels gasos (efecte Joule-Thomson). Féu recerques sobre l’edat de la Terra, on tingué controvèrsies amb T.H. Huxley.
Contribuí a l’estudi teòric de l’electroestàtica i inventà un tipus de galvanòmetre. També són destacables les seves formulacions sobre el comportament dels circuits oscil·lants i les propietats del magnetisme i de l’electricitat atmosfèrica; investigà la termoelectricitat i descobrí l’efecte que duu el seu nom; enuncià el comportament del corrent elèctric en un conductor, quant a la distribució dins la secció, i afirmà que es concentra a la superfície (efecte pel·licular); estudià l’elasticitat i ideà un dispositiu per a la integració mecànica de les equacions diferencials.
És considerat un dels grans físics del segle XIX.