Estudià al Royal College of Chemistry. El 1854 fou nomenat inspector al departament de meteorologia de l’observatori Radcliffe (Oxford), i el 1855 obtingué la càtedra de química a la Universitat de Chester. El 1856 es traslladà a Londres. Fundà i dirigí la publicació “Chemical News” (1859-1906) i el “Quaterly Journal of Science”. El 1861, en efectuar observacions espectroscòpiques dels residus obtinguts en la fabricació de l’àcid sulfúric, descobrí i aïllà per primera vegada el tal·li, del qual estudià exhaustivament les propietats. Construí el radiòmetre (1875) i inventà i dissenyà els tubs electrònics amb càtode fred que duen el seu nom. Els seus treballs sobre els fenòmens que acompanyen la descàrrega elèctrica al si de gasos enrarits el portaren a emetre la hipòtesi de l’existència d’un quart estat de la matèria, el de matèria radiant, i al descobriment dels raigs catòdics. A la fi del segle, amb els descobriments dels gasos nobles i de la radioactivitat, Crookes investigà l’espectre de l’heli i dissenyà un detector de partícules radioactives, l'espintariscopi (1903), una forma primitiva del comptador d’escintil·lacions. El 1907 li fou concedit el premi Nobel de química. És autor de nombroses memòries, on exposa les seves investigacions, i d’uns Select Methods in Chemical Analysis (1871).