Il a découvert, en 1852, le refroidissement provoqué par la détente des gaz (effet Joule-Thomson). Ses travaux de thermodynamique ont permis l'introduction de la température absolue, mesurée en degrés Kelvin. En électrostatique, il a imaginé le galvanomètre à aimant mobile (1851) et donné la théorie des circuits oscillants ; en géophysique, ses études sur les marées terrestres sont restées fondamentales. En 1876, il a inventé le premier dispositif d'intégration permettant d'arriver à une solution mécanique des équations différentielles.
