Uno de los seis hijos que sobrevivieron a la infancia de James Thomson, profesor de matemáticas y de ingeniería en la Royal Belfast Academical Institution, y de Margaret Gardner. Su madre murió en 1830 cuando William tenía seis años.
Cursó estudios en las universidades de Glasgow y Cambridge. Entre 1846 y 1899 trabajó como profesor de la Universidad de Glasgow.
En termodinámica, desarrolló el trabajo realizado por James Prescott Joule sobre la interrelación del calor y la energía mecánica, y en 1852 ambos unieron esfuerzos en la investigación del fenómeno al que se conoció como efecto Joule-Thomson.
En 1848 estableció la escala absoluta de temperatura que sigue llevando su nombre. Estudió la teoría matemática de la electrostática, llevó a cabo mejoras en la fabricación de cables e inventó el galvanómetro de imán móvil y el sifón registrador. Fue asesor científico en el tendido de cables telegráficos del Atlántico en 1857, 1858, 1865 y 1866. Además contribuyó a la teoría de la elasticidad e investigó los circuitos oscilantes, las propiedades electrodinámicas de los metales y el tratamiento matemático del magnetismo.
Junto con el fisiólogo y físico alemán Hermann Ludwig von Helmholtz, hizo una estimación de la edad del Sol y calculó la energía irradiada desde su superficie. Entre los aparatos que inventó o mejoró se encuentran un dispositivo para predecir mareas, un analizador armónico y un aparato para grabar sonidos en aguas más o menos profundas. También mejoró aspectos de la brújula marina o compás náutico. En 1902, elabora el primer modelo atómico.
Muchas de sus obras científicas se recopilaron en su Ponencias sobre electricidad y magnetismo (1872), Ponencias matemáticas y físicas (1882, 1883, 1890) y Cursos y conferencias (1889-1894).
Fue presidente de la Sociedad Real de Londres en 1890, y en 1902 recibió la Orden del Mérito.
En el invierno de 1860-1861 resbaló en el hielo y se fracturó la pierna, lo que le hizo cojear desde entonces.
William Thomson falleció el 17 de diciembre de 1907 en Largs, Ayrshire, Escocia.
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