Το 1884, ο Τόμσον έγινε καθηγητής Φυσικής στον Cavendish. Το 1890, παντρεύτηκε τη Rose Paget και απέκτησε δύο παιδιά μαζί της. Ένας από τους μαθητές του ήταν ο Ernest Rutherford, ο οποίος αργότερα θα τον διαδεχόταν στη θέση του.

Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου από τον Thomson ξεκίνησε το 1895 με μια σειρά πειραμάτων στο εργαστήριο Cavendish. Επηρεασμένος από το έργο του James Clerk Maxwell από την ανακάλυψη της ακτινογραφίας, ο Thomson συμπέρανε ότι οι καθοδικές ακτίνες (που παράγονται από τον σωλήνα Crookes) εμφάνισαν μια ενιαία αναλογία φορτίου-μάζας em και πρέπει να αποτελούνται από έναν μόνο τύπο αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων , τα οποία ονόμασε «σωμάτια». Ο G. Johnstone Stoney είχε προτείνει τον όρο ηλεκτρόνιο νωρίτερα ως ένα σταθερό κβαντικό ηλεκτρικό φορτίο στην ηλεκτροχημεία, αλλά ο Thomson συνειδητοποίησε ότι ήταν επίσης ένα υποατομικό σωματίδιο, το πρώτο που ανακαλύφθηκε.

Μετά από περαιτέρω πειράματα σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι καθοδικές ακτίνες διεισδύουν στα αέρια, ο Thomson υπέθεσε ότι «έχουμε στις καθοδικές ακτίνες, ύλη σε μια νέα κατάσταση, η ουσία αυτή είναι η ουσία από την οποία δημιουργούνται όλα τα χημικά στοιχεία». Ο Τόμσον θα μπορούσε να περιγραφεί ως «ο άνθρωπος που χώρισε για πρώτη φορά το άτομο» και σε μεγάλο βαθμό έκανε τη φυσική των ατόμων μια σύγχρονη επιστήμη. Του απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1906 και ανακηρύχθηκε ιππότης το 1908. Οι έρευνές του για τη δράση των ηλεκτροστατικών και μαγνητικών πεδίων στη φύση των αποκαλούμενων «ακτίνων ανόδου» ή «ακτίνων του καναλιού» θα κατέληγαν τελικά στην εφεύρεση του φασματόμετρου μάζας (τότε ονομάζεται φασματογράφος παραβολής) από τον Francis Aston, ένα εργαλείο που επιτρέπει τον προσδιορισμό της αναλογίας μάζας προς φορτίο ιόντων και το οποίο έχει γίνει έκτοτε ένα πανταχού παρόν ερευνητικό εργαλείο στη χημεία.

Ο Τόμσον ήταν ταλαντούχος λέκτορας και δάσκαλος. Η σημασία του στη Φυσική αναγνωρίζεται σχεδόν τόσο για εκείνους που ενέπνευσε όσο και για το δικό του πειραματικό έργο. Επτά βραβεία Νόμπελ απονεμήθηκαν σε όσους εργάστηκαν υπό τον έλεγχο, συμπεριλαμβανομένου του γιου του, Sir George Paget Thomson.

Πριν από το ξέσπασμα του Α 'Παγκοσμίου Πολέμου, ο Τόμσον έκανε μια άλλη πρωτοποριακή ανακάλυψη: το ισότοπο. Πέθανε στις 30 Αυγούστου 1940 και θάφτηκε στο Αββαείο του Γουέστμινστερ, κοντά στον Ισαάκ Νεύτωνα.