1884年，雷利勋爵辞职，汤姆逊开始担任卡文迪许实验室物理学教授，接替卡文迪许实验室主任；6月12日，当选英国皇家学会院士。

1897年，汤姆逊在真空管阴极射线实验中证明了电子的存在，并得出电子是原子的一部分的结论；4月30日，他在向皇家学会做的演讲中宣布了这一发现。一个月后，他计算出了电子的质荷比。

1905年，担任英国皇家学会教授。

1906年，因对气体导电的理论和实验研究获得诺贝尔物理学奖。

1908年，被授予骑士称号。

1912年，获得功勋勋章，被封为爵士。

1916年至1920年，担任英国皇家学会会长。

1918年，担任剑桥大学三一学院院长，并辞去了卡文迪许实验室主任的职位，保留物理学教授头衔。

1940年8月30日，汤姆逊于剑桥逝世，终年84岁。

汤姆逊早期的研究路线主要集中于三个方面：亚当斯奖所要求的研究主题；麦克斯韦电动力学的数学发展；拉格朗日公式的动力学运用。

汤姆逊领导卡文迪什实验室的35年中间，实验室的研究工作取得了如下成果：进行了气体导电的研究，从而导致了电子的发现；放射性的研究，导致了α射线、β射线的发现；进行了正射线的研究，发明了质谱仪，从而导致了同位素的研究；膨胀云室的发明，为核物理和基本粒子的研究准备了条件；电磁波和热电子的研究导致了真空管的发明和改善，促进了无线电电子学的发展和应用。

他还在一篇关于能量转换的论文中指出，能量必须同时具有质量和动量，从而部分地预见到运动的带电粒子的波粒二象性和爱因斯坦质能关系式。

1905年，汤姆逊发现了钾的天然放射性。

1912年，汤姆逊发现了氖同位素。

1883年，汤姆逊写了一篇与原子核有关的涡旋环理论的获奖论文，并由此开始了他的气体放电的实验研究。他称X射线

1897年，汤姆逊仔细地测量了这些阴极射线的磁偏转以及单位电荷传输的加热效应，分别给出了上述带电粒子的电荷与质量之比和电荷与动能之比，从而定出了这种粒子的荷质比和速度。他发现这种粒子的荷质比约为法拉第发现的最轻原子的荷质比的2000倍，从而首先提供了电子存在的直接证据。随后，他又在卡文迪什实验室进行的电磁场偏转实验和威尔逊云室的径迹观察中最终确认了电子，从而确定所有物质至少都包含电子这种共同的成分。1899年，汤姆逊使用威尔逊云室测量了电子的电荷和质量。汤姆逊和威尔逊测到的电子的电荷是1×10-19库，质量在10-31千克量级。

汤姆逊当时称电子为“corpuscles”，然而而后的学界多使用“electron”称呼电子，这个词由约翰斯通·斯通尼（Johnstone Stoney）于1891年提出，早于汤姆逊实际发现电子。

汤姆逊还提出了原子的“葡萄干布丁原子结构模型”（又名汤姆孙模型），但后来的实验证实了这个模型是不正确的。另外，汤姆逊在研究了原子中的电子对X射线的散射后，结合巴克拉的结果，证明了原子中的电子数目约为原子质量数的一半，指出了原子序数的重要性。

1896年，汤姆逊访问美国，在普林斯顿大学做了四场讲座，总结了他研究成果。

1904年，汤姆逊在美国耶鲁大学做了六场关于电和物质的讲座。

担任卡文迪许实验室主任期间，汤姆逊不但给研究生讲专业课，还给本科生开设基础物理课。在1884至1895年间，他坚持每学年给学生讲授四到七门课。其教学工作量既远远超过了当时剑桥“每两学期中至少开一门课”的规定，也大大超出了两位前任每学年只分别上两至三门课的任务。

他对卡文迪什实验室的课程设置进行了一定的改革。将以往的学位考试课程一分为二，分别增设了针对物理专业学生的数学课以及数学学位考试中的实验演示内容。

汤姆逊对待教学非常认真。他认为教学本身对科学研究有帮助，通过教学，他往往能重新审视原本认为理所当然的观点。他从不要求进入新研究领域的人从阅读已有文献开始，相反，汤姆逊认为科学研究是首先澄清自己的观点，再去查阅他人的科研成果，从而不受任何假设的影响。

汤姆逊对卡文迪什实验室的建设有卓越贡献。他针对资金不足、师资力量薄弱和研究空间极度拥挤等问题，不仅通过自筹和募集资金的方式，扩建了实验室的规模。通过对初级班和高级班采取不同的教学系统的方法，满足了大学教学的要求，确保了教学质量。

在汤姆逊的建议下，从1895年开始，卡文迪什实验室实行吸收外校及国外的大学毕业生当研究生的制度，并率先实行了对女学生开放的制度，建立了一整套培养研究生的管理体制，树立了良好的学风。一批批优秀的年轻学者陆续来到这里，在汤姆逊的指导下进行学习和研究。1885至1914年间受到过汤姆逊教益的各国研究生中，有许多后来成了著名的科学家，其中7人获得了诺贝尔奖，27人取得英国皇家学会会员资格。

根据2023年12月数学谱系项目网站数据，汤姆逊先后指导了15名学生，其中包括7名诺贝尔奖得奖者，具体信息如下：

（加粗为诺贝尔奖得主）

荣誉博士：牛津大学、都柏林大学、伦敦大学、维多利亚大学、哥伦比亚大学、剑桥大学、杜伦大学、伯明翰大学、哥廷根大学、利兹大学、奥斯陆大学、索邦大学、爱丁堡大学、雷丁大学、普林斯顿大学、格拉斯哥大学、约翰斯·霍普金斯大学、阿伯丁大学、雅典大学、雅盖隆大学、费城大学

约瑟夫·约翰·汤姆逊的父亲约瑟夫·詹姆斯·汤姆逊（Joseph James Thomson）是一个书商，拥有纯正的苏格兰血统。母亲艾玛（Emma Swindells，1831-1901）来自一个经营着纺织公司的家族。汤姆逊还有个弟弟叫弗雷德里克·弗农·汤姆逊（Frederick Vernon Thomson，1859-1917）。

1890年，汤姆逊和前学生罗丝·伊丽莎白（Rose Elisabeth Paget，1860-1951）结婚，她是英国剑桥医学教授乔治·爱德华·佩杰特爵士（Sir George Edward Paget）的女儿。他们有一个儿子乔治·佩吉特·汤姆森（1892-1975，1937年获得诺贝尔物理学奖）和一个女儿琼（1903-1987，Joan Paget Thomson）。

汤姆逊在金融方面有着显著的天赋，他低调地管理着他的投资，以很少的资本开始赚到了可观的财富。此外，他还是一个业余的园丁，对植物和鳞茎特别感兴趣。

发现电子的汤姆逊被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的科学家”。（集美大学评）

“汤姆逊是新老物理之间奇特的链环，他已经打开了通向新物理学的大门，自己却从未进去过。”（威廉·亨利·布拉格评）

从19世纪90年代到20世纪40年代，卡文迪许实验室始终存在和活跃着一个以其教授为核心的研究小组，即卡文迪什学派，而这个学派的伟大缔造者正是汤姆逊。（《现代物理知识》评）

为了表彰他的卓越贡献，汤姆逊谢世后，他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，与牛顿、达尔文、开尔文等科学家的骨灰安放在一起。

1991年，为纪念约瑟夫·约翰·汤姆逊，起名字“汤姆逊”（thomson）被提议作为质谱法中质荷比的单位，符号为“Th”。

1985年，国际质谱基金会（International Mass Spectrometry Foundation）以汤姆逊的名字命名了“汤姆逊奖章”（Thomson Medal Award）。

2008年，英国物理研究所以汤姆逊的名字命名了“约瑟夫·汤姆森奖章和奖金”（Joseph Thomson Medal and Prize），向对原子或分子物理学的杰出贡献的人员进行表彰。