Investigà les relacions entre treball i calor i arribà a formular, amb independència del seu contemporani Mayer, el principi de conservació de l’energia. Després de nombrosos experiments, obtingué el valor numèric de l'equivalent mecànic de la calor. Formulà la llei que duu el seu nom, sobre calor originada pel pas d’un corrent elèctric, contribuí a explicar la teoria cinètica dels gasos i analitzà, juntament amb W. Thomson, les variacions de temperatura d’un gas no perfecte en expandir-se (efecte Joule-Thomson).