Si formò tra l'Università di Edimburgo (1847-50) ed il Trinity College di Cambridge, dove superò i Mathematical Tripos nel 1854. Insegnò al Marischal College di Aberdeen (1856-60) e poi al King's College di Londra (1860-65). Nel 1871 venne nominato primo professore di fisica sperimentale a Cambridge e direttore del Cavendish Laboratory (inaugurato nel 1874). Tra il 1850 e il 1879, offrì contributi originali in molteplici settori della scienza. Tra il 1850 e il 1870, sviluppò le sue ricerche sulla "visione dei colori"; tra il 1856 e il 1873, pubblicò una serie di articoli e il suo fondamentale Treatise on Electricity and Magnetism (1873), che contengono i fondamenti della teoria dell'elettromagnetismo classico, unificando la trattazione dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici; tra il 1860 e il 1879, dette decisivi contributi alla teoria cinetica dei gas e alla termodinamica, nei quali si prefiguravano alcuni degli elementi della moderna meccanica statistica. Sensibile al problema della divulgazione scientifica, coltivò anche interessi di carattere epistemologico e storico; nel 1879 pubblicò una esauriente raccolta di scritti inediti di Henry Cavendish.