В круг интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. Студентом Томсон опубликовал несколько статей по применению рядов Фурье к различным разделам физики. Стажируясь в Париже, разработал метод решения задач электростатики, получивший название метода «зеркальных изображений» (1846). Познакомился с теорией Карно, высказал идею абсолютной термодинамической шкалы (1848). В 1851 сформулировал (независимо от Р.Клаузиуса) 2-е начало термодинамики. Ввел понятие диссипации энергии. Заложил основы теории электромагнитных колебаний и в 1853 вывел формулу зависимости периода собственных колебаний контура от его емкости и индуктивности (формула Томсона). В 1856 открыл третий термодинамический эффект – эффект Томсона (первые два – возникновение термо-ЭДС и выделение теплоты Пельтье), состоявший в выделении т.н. «теплоты Томсона» при протекании тока по проводнику при наличии градиента температуры.

Томсон внес большой вклад в развитие практических применений разных разделов науки. Был главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей. Сконструировал целый ряд точных электрометрических приборов: «кабельный» гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометры, сифон-отметчик для приема телеграфных сигналов. Предложил использовать многожильные провода из медной проволоки.

Работы по прокладке трансатлантического кабеля пробудили в Томсоне интерес к навигации. Ученый создал усовершенствованный морской компас с компенсацией магнетизма железного корпуса судна, изобрел эхолот непрерывного действия, мареограф (прибор для регистрации уровня воды в море или реке). Известны исследования Томсона по теплопроводности, работы по теории приливов, распространению волн по поверхности, по теории вихревого движения.

В 1892 Томсону был пожалован титул барона. В 1896 он был избран почетным членом Санкт-Петербургской Академии наук. Последние годы жизни Томсон провел в своем доме в Ларгсе (Шотландия). Умер Томсон в Ларгсе (Шотландия) 17 декабря 1907.