在1884年湯姆生年僅28歲，就擔任英國劍橋大學卡文迪西(Cavendish)實驗室的主任。這位被稱為「年輕小伙子」自己也感到十分驚訝，想不到這位年輕人卻使設備簡陋的實驗室轉變成為世界上最負盛名的實驗核子物理重鎮。

湯姆生和他的學生拉塞福是最早證實空氣被X射線游離。從這游離現象推導出游離輻射 (放射線)，也就是由原子釋出能量範圍廣大的電磁波和粒子輻射。湯姆生最負盛名的貢獻是探討陰極射線的性質，也就是電子的性質。他藉著電場以偏轉陰極射線;在過去是用磁場使電子偏轉。他終於證實電子為帶負電的粒子。接著他又測定電子的質量，約為氫原子核的二千分之一。在當時它子是被視為最小的粒子。

電子是屬於次原子級的粒子，湯姆生是證明次原子級粒子存在的第一位，從此打開了次原子級的門戶，導致他的高徒拉塞福在核子物理領內的貢獻。後來湯姆生證實電子和物質相互作用的結果會產生X射線，而X射線和物質相互作用的結果卻會產生電子。