Zapoznał się tam z teorią Maxwella.
Po uzyskaniu dyplomu wykładał matematykę na Uniwersytecie Cambridge i rozpoczął pracę w Laboratorium Cavendisha pod kierunkiem Karola Rayleigha, polegającą na wyznaczaniu zależności jednostek ładunku elektrycznego w układzie elektrostatycznym i elektromagnetycznym. Była to praca żmudna i trudna, a już pierwsze wyniki wykazywały niewielkie różnice od przewidywanych teoretycznie. Początkowo samodzielne prace Thomsona miały charakter teoretyczny. Po rezygnacji Karola Rayleigha w 1884 roku otrzymał stanowisko profesora Katedry Fizyki Doświadczalnej i kierownictwo Laboratorium Cavendisha.
Po objęciu kierownictwa prowadził badania nad przewodnictwem gazów i tym zagadnieniem zajmował się przez dłuższy okres. W rok po odkryciu przez Roentgena promieni X, Thomson wraz z Ruthefordem opublikowali pracę O przewodzeniu elektryczności przez gazy wystawione na działanie promieni Roentgena. Z prac tych wyciągnięto wniosek, że to przewodnictwo zawdzięczamy pewnym cząstkom obecnym w gazie, i że te cząstki są naelektryzowane. Przeprowadził kilka doświadczeń nad promieniowaniem katodowym ustalając doświadczenie, stosunek ładunku do masy (e:m) dla elektronu jak i różnych gazów – dwiema metodami dla różnych gazów i rodzajów materiału katody.