Wyciągnął stąd wniosek o istnieniu materii w nowym stanie, o istnieniu w atomach różnych substancji korpuskuł o jednakowej masie i jednakowym ładunku elektrycznym, które podczas wyładowań wyzwalają się z atomów katody oraz molekuł gazu podczas ich dysocjacji. Korpuskuły te nazwano później elektronami. Thomson rozstrzygnął przez zastosowanie komory Wilsona, że masa elektronu jest 1000 razy mniejsza niż masa cząsteczki wodoru.
Thomson wprowadził do fizyki pojęcie jonu gazowego, odegrał kluczową rolę w odkryciu elektronu, stwierdzając jego uniwersalną naturę, po raz pierwszy określił jego stałą fizyczną – stosunek e/m. Opracował także teorię dwóch głównych metod oceny liczby elektronów zawartych w atomach różnych pierwiastków. Przyjął, że atom jest kulką materii o ładunku dodatnim, w której pogrążone są elektrony. Łączny ich ładunek co do wartości bezwzględnej równy jest ładunkowi kuli. Późniejsze prace Thomsona nad promieniami i stosunkiem e/m dla promieni kanalikowych (zob. historia odkrycia protonu, promieniowanie anodowe (kanalikowe) doprowadziły do odkrycia izotopów. Wykonał liczne badania w dziedzinie teorii elektronów, prowadząc prace nad wyładowaniami w gazach rozrzedzonych i inne. Prowadził prace nad przewodnictwem prądu elektrycznego przez gazy. Za prace te otrzymał w 1906 roku Nagrodę Nobla z fizyki.