Μετά από σπουδές στο Βασιλικό Κολλέγιο Χημείας του Λονδίνου, ο Crookes έγινε επιστάτης του μετεωρολογικού τμήματος στο Αστεροσκοπείο Radcliffe της Οξφόρδης το 1854, και το επόμενο έτος κέρδισε μια θέση στο Κολέγιο Επιστημών στο Τσέστερ του Τσέσαϊρ. Έχοντας κληρονομήσει μια μεγάλη περιουσία από τον πατέρα του, αφιερώθηκε από το 1856 εξ ολοκλήρου σε επιστημονικά έργα διαφόρων ειδών στο ιδιωτικό του εργαστήριο στο Λονδίνο. Οι έρευνες του για τις ηλεκτρικές απορρίψεις μέσω ενός σπάνιου αερίου τον οδήγησαν να παρατηρήσει το σκοτεινό χώρο γύρω από την κάθοδο, που τώρα ονομάζεται σκοτεινός χώρος Crookes. Απέδειξε ότι οι καθόδιες ακτίνες ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές και παράγουν φώσφορο και θερμότητα όταν χτυπούν ορισμένα υλικά. Εφηύρε πολλές συσκευές για να μελετήσει τη συμπεριφορά των καθοδικών ακτίνων, αλλά η θεωρία του για την ακτινοβόλο ύλη, ή μια τέταρτη κατάσταση της ύλης, αποδείχθηκε λανθασμένη από πολλές απόψεις. Με την εισαγωγή της ανάλυσης φάσματος από τους R.W. Bunsen και G.R. Kirchhoff, ο Crookes εφάρμοσε τη νέα τεχνική στη μελέτη των ενώσεων σεληνίου. Το 1861 ανακάλυψε θάλλιο σε κάποια σεληνιφόρα κοιτάσματα. Συνέχισε τις εργασίες σε αυτό το νέο στοιχείο, το απομόνωσε, μελέτησε τις ιδιότητές του και το 1873 καθόρισε το ατομικό του βάρος. Κατά τη διάρκεια των μελετών του για το θάλλιο, ο Crookes ανακάλυψε την αρχή του ραδιομέτρου Crookes, μιας συσκευής που μετατρέπει την ακτινοβολία του φωτός  σε περιστροφική κίνηση. Η αρχή αυτού του ραδιομέτρου έχει βρει πολλές εφαρμογές στην ανάπτυξη ευαίσθητων οργάνων μέτρησης. Ο Crookes έγινε ιππότης το 1897.