Estudià a la Universitat de Manchester i en el Trinity College de Cambridge. L’any 1906 fou nomenat director assistent del Royal Observatory de Greenwich, i l’any 1913 esdevingué professor d’astronomia i filosofia experimental de la Universitat de Cambridge. L’any 1914 fou nomenat director de l’observatori de la universitat, càrrec que mantingué fins a la seva mort. De l’any 1921 al 1923 presidí la Royal Astronomical Society. Entre els seus estudis més importants es destaquen unes investigacions teòriques sobre el moviment, l’estructura interna i l’evolució dels estels. Investigà també teòricament el límit de les masses estel·lars, l’estructura dels estels nans blancs i la temperatura de les regions interiors del Sol. L’any 1924 enuncià una llei molt important que relaciona la lluminositat d’un estel amb la seva temperatura i la pressió de radiació, relació coneguda amb el nom de llei de la massa-lluminositat . Reconegué la importància de la teoria de la relativitat general d’Einstein, algunes de les prediccions de la qual contribuí a comprovar experimentalment. Féu també estudis sobre cosmologia i l’expansió de l’Univers. En el camp de l' epistemologia propugnà la substitució de la perspectiva ontològica, i procurà sempre de posar en relleu el caràcter operacional de la física. Entre les seves obres més importants es destaquen Space, Time and Gravitation (1920), The Internal Constitution of Stars (1926) i The Philosophy of Physical Science (1939).