Томсон – один из основоположников электронной теории металлов (1900). Им получено выражение для эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами (формула Томсона). В 1903 построил одну из первых моделей атома, предположив, что атом – это положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. В 1904 Томсон высказал идею о том, что электроны в атоме образуют различные конфигурации, обусловливающие периодичность химических элементов; тем самым он попытался установить связь между электронной структурой атома и его химическими свойствами.

Начиная с 1905 Томсон приступил к детальному экспериментальному исследованию т.н. «каналовых» лучей – быстро движущихся частиц, образующихся за катодом газоразрядной трубки, в котором проделано отверстие. Отклоняя эти лучи в электрическом и магнитном полях, он разложил их на компоненты, число и свойства которых зависели от состава газа в трубке. Эта работа послужила основой масс-спектрометрии. В 1911 Томсон разработал метод парабол для измерения отношения массы частицы к ее заряду, что имело важное значение для исследования изотопов. В 1912 получил первые данные о существовании изотопов – обнаружил атомы неона с массой 20 и 22.

Кавендишская лаборатория за время, когда ее возглавлял Томсон, превратилась в ведущий исследовательский центр. Здесь под руководством Томсона работали Ф.Астон, У.Вильсон, Э.Резерфорд, У.Ричардсон и др. За научные заслуги Томсон был награжден медалями Б.Франклина (1923), М.Фарадея (1938), Копли (1914) и др. Умер Томсон в Кембридже 30 августа 1940.