В 1846 году двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго. Необыкновенные заслуги Томсона в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками.
В 1866 году Томсон возведён в дворянское достоинство, в 1892 году королева Виктория пожаловала ему пэрство с титулом «барон Кельвин».
Ещё студентом, Томсон опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики и в замечательном исследовании «The uniform motion of heat in homogeneous solid and its connection with the mathematical theory of electricity» («The Cambridge math. Journ.», 1842) провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. В другом исследовании «The Linear Motion of Heat» (1842, ibid.) Томсон развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении Земли.
В 1845 году, находясь в Париже, Томсон начинает в журнале Жозефа Лиувилля печатание ряда статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.
С 1849 года начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «R?flexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres ? d?velopper cette puissance» (1824), для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит первую формулировку второго принципа термодинамики.
В 1852 году Томсон даёт другую формулировку его, именно учение об рассеянии энергии.
В том же году Томсон совместно с Джоулем проводит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории идеальных газов к теории действительных газов.
Начатая в 1855 году работа по термоэлектричеству («Electrodynamic Qualities of Metals») вызвала усиленную экспериментальную работу; в работе принимали участие студенты, и это положило начало практическим работам студентов в университете Глазго — первым в Великобритании, а также начало лаборатории по физике в Глазго.
В пятидесятых годах Томсон заинтересовывается вопросом о трансатлантической телеграфии; побуждаемый неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследует вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и приходит к заключениям величайшей практической важности, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. Попутно Томсон выводит условия существования колебательного электрического разряда (1853), вновь найденные позже Кирхгофом (1864) и лёгшие в основание всего учения об электрических колебаниях. Экспедиция для прокладки кабеля знакомит Томсона с нуждами морского дела и приводит к усовершенствованию лота и компаса (1872-1876).
В «Biogr.-Litter. Handw?rterbuch Poggendorffa» (1896) приведён список около 250 статей (кроме книг), принадлежащих Томсону. Упомянем лишь некоторые предметы его работ: термодинамические исследования, приведшие кроме того ещё к установлению абсолютной шкалы температур; работы по гидродинамике и теории волн (награждены в 1887 году премией от эдинбургского королевского общества); работы по термоэлектричеству, приведшие к открытию так называемого «эффекта Томсона» — переноса тепла электрическим током; исследования по теории упругости (1862-1863), в которых Томсон расширяет теорию шаровых функций; работы по динамической геологии.
Не менее замечательна деятельность Томсона в практической физике и технике; ему принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление в науке и технике, как то: зеркального гальванометра, ондулятора с сифонной подачей чернил, квадрантного и абсолютного электрометров, нормального элемента компаса, лота и множества технических измерительных электрических приборов, между которыми особенно замечательны ампер-весы, применяемые для выверки электрических приборов. Между множеством патентов, взятых Томсоном, встречаются таковые и на чисто практические приспособления, как, например, на водопроводные краны.
Из книг, изданных Томсоном, наибольшей известностью пользуется «Treatise on natural philosophy» (т. 1, вместе с Тэтот, 3-е изд. в 1883 году, немец. перев. под ред. Гельмгольца), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики.
Статьи Томсона перепечатаны в его «Reprints of papers on electrostatic and magnetism» (1872), «Mathematical and physical papers» (1882-1883) и «Popular lectures and adresses».
В «Encyclopedia Britannica» (1880) помещены две статьи Томсона — «Elasticity» и «Heat».
Уильям Томсон пытался доказать, что эволюция не могла иметь место, так как по его подсчётам возраст Земли был гораздо меньше требуемых для эволюции временных рамок. Возраст Солнечной системы лорд оценил неправильно, так как думал, что Солнце представляет собой огненный шар, в котором топливо (химическое) должно было полностью сгореть за десятки миллионов лет. Конечно, он не знал о ядерной энергии.
