Диссертацию Томсон завершил в Париже под руководством Рено. В 1845 г. он разработал электрический метод получения изображений. В этом же году в возрасте 21 года Томсон стал профессором натуральной философии университета Глазго и сохранял этот пост в течение 53-х лет. Хотя Томсон и любил путешествовать, он считал Глазго идеальным местом для своей работы и никогда не помышлял о переходе, отклоняя самые престижные приглашения.
     Под влиянием Дж. П. Джоуля Томсон занялся исследованиями в области термодинамики. Именно он в 1848 г. ввел понятие абсолютной шкалы температур, получившей его имя,  шкала Кельвина  после того, как сам Томсон в 1892 г. был удостоен титула барона Кельвина из Ларга. В 1851 году он дал одну из формулировок второго начала термодинамики и ввёл понятие рассеяния энергии. Высказал гипотезу "тепловой смерти" Вселенной. В этом же году обнаружил изменение электрического сопротивления ферромагнетиков при их намагничивании.
        В 1851 году Томсон стал членом Лондонского королевского общества, а с 1890 года был избран его президентом (до 1895 года).
         В 1853-1854 годах совместно с Джоулем открыл эффект охлаждения газа при его адиабатическом расширении (эффект Джоуля-Томсона), развил термодинамическую теорию термоэлектрических явлений и в 1856 году предсказал явление переноса тепла электрическим током (термоэлектрический эффект Томсона). В связи с проблемой осуществления телеграфной связи по трансатлантическому кабелю разрабатывал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу зависимости периода колебаний контура от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона).
   Большое значение в формировании атомистических представлений имел произведённый Томсоном расчёт размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии плёнки жидкости. В 1870 году он установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости.
        Томсон занимался также различными вопросами гидродинамики (теория приливов, распространение волн по поверхности), астрофизики (теория происхождения зодиакального света), геофизики (теория охлаждения земного шара) и т.д. Разрабатывая теорию вихревого движения, Томсон вывел теорему о сохранении циркуляции в идеальной жидкости.
         Почётный член Петербургской АН (1896 год; член-корреспондент - с 1877 года).
Уильям Томсон (уже лорд Уильям Кельвин) умер 17 декабря 1907 в Ларгсе, близ Глазго; похоронен в Лондоне.
       Кельвин опубликовал более 600 научных трудов. Его вкладом в науку были: ведущая роль в открытии второго закона термодинамики; абсолютная шкала температур; математический анализ электричества и магнетизма; геофизическое определение возраста Земли. Он сконструировал сифон-отметчик, квадрантный и абсолютный электрометры и другие физические приборы; усовершенствовал зеркальный гальванометр, магнитный компас.
         В XIX веке в Англии жил и совершал выдающиеся открытия, которые перевернули весь мир физической науки, Джеймс Клерк Максвелл.