汤姆孙1856年12月18日生于英国的曼彻斯特，他父亲本是一个摆摊卖书报的小贩，后来靠着自己的奋斗成了一名专印大学课本的书商。他从自己的切身经历中深知没有知识的苦衷，便发誓要教子成才，请了家庭教师指导儿子的学业，并注意培养他的艺术素养。老汤姆孙虽是一名书商，可是因职业关系平时来往的却都是曼彻斯特大学的教授，家里也还有点儿书香气。汤姆孙有严父督教，又有这样一个环境熏陶，学业大进。十四岁便考进了曼彻斯特大学，二十岁被保送到剑桥大学三一学院，二十七岁就被选为皇家物理学会的会员。1884年，卡文迪许实验室主任瑞利年老体衰宣布辞职，大家都等着看谁来继任这个全欧洲学术界最引人注目的职位，结果瑞利却推荐了汤姆孙，这年他才刚满二十八岁。
这时，一场旷日持久的大争论正在等待他的加入。十九世纪六十年代，英国物理学家克鲁克斯发明了一种管子——克鲁克斯管，在一个玻璃管里嵌上相对的两块金属板，两板各与一条电路相连，一块是阴极，一块是阳极，当管内的空气抽得越来越稀薄时，就会出现种种不同的颜色，这种光是由阴极发出的。它到底是什么呢？以德国物理学家赫兹、列纳德为首的一派认为阴极射线是类似于光的东西，是电磁波；以英国物理学家克鲁克斯为首的一派认为，这是一束带负电的粒子流。赫兹认为，既然是粒子流为什么它能顺利通过放在管内的它们路径上的各种屏障，而又没给屏上穿出洞呢？只有波才有这种特性；克鲁克斯说，既然是光一类的波，为什么我把一块磁铁靠近管子时，它就发生偏转呢？只有带电粒子才会受磁场的影响。这简直就像当年牛顿和胡克、惠更斯争论光的波粒性一样，又是一场难断的官司。双方都是当时最知名的权威，这场辩论竟持续了二十多年没有结果。就在1896年，汤姆孙正好四十岁时，英国科学促进会最高委员会将汤姆孙召来，要他的实验室来解决这桩悬案。