Занимаясь изучением прохождения электрического тока через разреженные газы, Томсон в 1897 году открывает электрон. Кроме того, он определяет его заряд и отношение заряда к массе электрона. За свои исследования ученому в 1906 году присуждают Нобелевскую премию в области физики. Также Джозеф Джон разработал теорию движения, открытого им электрона, в электрическом и магнитном полях. На основании своих наблюдений, Томсон предлагает свою модель атома. Он предложил, что атом – это положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Хотя в последствие она была опровергнута его последователями, но все же сыграла огромную роль в процессе изучения строения материи.

Джозеф Джон Томсон является одним из основоположников классической электронной теории металлов. Его формула (формула Томсона) до сих пор применяется в физике элементарных частиц для определения эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами.