William Thomson, daha onbir yaşındayken babasının matematik profesörü olduğu Glasgow Üniversitesi'nde öğrenime başladı; sonra Cambridge Üniversitesi'ne devam etti. Fourier'den etkilenen Kelvin, 16 ve 17 yaşında iken yayımladığı ilk bilimsel makalelerinde, İngiliz bilim adamlarının genellikle karşı çıktığı Fourier'in görüşlerinin savunusunu üstlendi ve Fourier'in geliştirdiği bilimsel yöntemlerin yalnızca ısı akışına değil, başka enerji biçimlerine de uygulanabileceğini öne süren ilk bilim adamı oldu. 21 yaşında Glasgow Üniversitesi'nde fizik profesörü oldu. Ve aralıksız elli üç yıl bu görevi sürdürdü.
William Thomson, özellikle ısı ve elektrikle ilgili incelemeler yaptı. Basınç altında buzun erime noktasındaki değişimleri belirledi ve 1852'de gazların genleşmesinin soğumaya yol açtığını ortaya koydu. Joule ile görüştükten sonra, Kelvin ölçeği olarak adlandırılan ve günümüzde bütün bilimsel sıcaklık ölçümlerinin temelini oluşturan mutlak termodinamik sıcaklık ölçeği düşüncesini ortaya attı. Elektriksel Görüntüler Metodu'nu bularak, elekrostatiğin matematik teorisine katkıda bulundu. 1854'ten başlayarak denizaltı telgrafı ile ilgilendi. George Gabriel Stokes ile birlikte, elektrik sinyal iletimine ilişkin matematiği geliştirdi.
Denizcilikte pek çok teknik probleme çözümlemeler getiren bir takım çalışmalarda da bulundu. Elektrik standartlarını kurmada öncülük yapan Kelvin, Leiden şişesinden boşalan elektriğin titreşimsel niteliğini belirlemiş olması, Hertz'in elektro-manyetik dalgalarını, dolaysıyla Marconi'nin radyoyu bulmasına yol açmıştır. Ayrıca yerin, ayın ve güneşin kasılması üstünde çalışmalar yaptı. 1876'da diferansiyel denklemlerin mekanik çözümüne imkân veren ilk integral alma düzeneğini ortaya koydu. Aynı zamanda benzetmeli hesap makinelerinin yaratıcısı olarak da kabul edilen Kelvin, 1866'da Lordluk payesi aldı. 1904'te Glasgow Üniversitesi rektörlüğüne getirildi. Yaşamının son üç yılında, ışığın dalga teorisi üzerindeki ders notlarını gözden geçirerek yayımladı. Helmholtz'la birlikte Kelvin, klasik fiziği geliştirerek çağdaş bir bilim dalına dönüştüren iki bilim adamından biri olarak kabul edilir.