Praca naukowa Wielkie zasługi położył w rozwoju teorii ciepła, obmyślił wiele czułych elektrycznych przyrządów mierniczych, znajdujących do dziś wielostronne zastosowanie (elektrometr kwadrantowy, galwanometr zwierciadłowy, mostek Thomsona), zajmował się teorią kabla podmorskiego oraz praktycznym zastosowaniem tegoż do komunikacji transatlantyckiej, wyodrębnił z powietrza nieznany podówczas pierwiastek argon. Napisał również wiele cennych dzieł i rozpraw z fizyki teoretycznej.
Odkrycia Pasja poznawcza lorda Kelvina wciągnęła go do dysputy na temat wieku naszej planety (por. aktualizm). Oszacował wiek Ziemi na 100 mln lat, co pozostawało w sprzeczności z teorią ewolucji ogłoszoną przez Karola Darwina. Dopiero po śmierci Darwina udowodniono, że Ziemia jest o wiele starsza.
Jego nazwisko stało się publicznie znane w związku z przedsięwzięciem kładzenia pierwszego transatlantyckiego kabla telegraficznego. W 1848 odkrył istnienie temperatury zera bezwzględnego, cztery lata później wraz z Jamesem Joule'em zademonstrował fakt ochładzania się rozprężającego się gazu.