Работы Чедвика посвящены проблемам ядерной физики. В 1914 в одной из ранних работ показал непрерывность спектра b-излучения. В 1920, исследуя рассеяние a-частиц на ядрах платины, серебра и меди, измерил заряды этих ядер и подтвердил равенство их порядковому номеру элемента в периодической таблице. В этих же опытах им был проверен закон изменения силы вблизи платинового ядра; он показал, что еще на расстояниях ~10^–11 см строго выполняется закон обратных квадратов. Совместно с П.Блэккетом изучал образование электронно-позитронных пар из g-квантов. В 1932, исследуя излучение, возникающее при бомбардировке бериллиевой мишени a-частицами, Чедвик показал, что оно представляет собой поток нейтральных частиц – нейтронов. Занимался исследованием цепной ядерной реакции; одним из первых рассчитал критическую массу для урана-235.

Был награжден медалями Д.Юза (1932), Копли (1950), М.Фарадея (1950), Б.Фраклина (1951). В 1945 был возведен в дворянское звание. Умер Чедвик в Кембридже 24 июля 1974.