Thomson, nascido em Belfast, era o quarto filho de uma família de sete. A sua mãe morreu quando ele tinha apenas seis anos e o seu pai, James Thomson, era escritor de livros didáticos e professor de matemática, tendo ensinado aos seus filhos a mais recente matemática (que ainda não constava sequer nos currículos universitários).

Com apenas 10 anos, William matriculou-se na Universidade de Glasgow, onde foi introduzido às técnicas matemáticas de Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830). Os seus dois primeiros artigos surgiram quando ele apenas tinha 16 e 17 anos, nos quais Thomson defendeu o trabalho de Fourier, aplicando as suas técnicas exclusivamente ao fluxo de calor. Thomson foi galardoado com muitas distinções académicas, entre elas uma medalha de ouro, na Universidade de Glasgow.

Em 1841, Thomson entrou em Cambridge para obter uma graduação académica. Depois de terminar o curso, em Cambridge, Thomson foi para Paris, onde trabalhou no laboratório do físico e químico Henri Victor Regnault (1810 – 1878) para ganhar competência experimental para complementar a sua formação inerentemente teórica. Em 1846, Thomson conseguiu, com a ajuda do pai, um lugar de professor de filosofia natural (mais tarde designada física) na Universidade de Glasgow.

Em 1847, Thomson ouvi pela primeira vez a teoria de James Prescott Joule (1818 – 1889) sobre a convertibilidade do calor com o movimento. A teoria de Joule ia contra o conhecimento aceite na época, mas Thomson teve mente suficientemente aberta para discutir as implicações da nova teoria com Joule, tendo dado, em 1851, reconhecimento público à teoria deste. Thomson foi responsável pela evolução de algumas das ideias de Michael Faraday (1791 – 1867), Fourier, Joule, e outros. Usando a análise matemática, Thomson conseguiu obter generalizações a partir dos resultados experimentais de outros. Também colaborou com importantes cientistas da época, entre eles George Stokes (1819 – 1903) e Hermann von Helmholtz (1821 – 1894).

O envolvimento de Thomson numa controvérsia sobre a viabilidade de colocar um cabo transatlântico mudou o curso do seu trabalho profissional. E, além disso, depois da colocação do cabo transatlântico, Thomson tornou-se sócio de duas empresas de consultoria de engenharia, desempenhando um papel importante no planeamento e construção de cabos submarinos durante a era frenética de expansão que resultou numa rede global de telégrafo.

Os interesses de Thomson pela ciência incluíam não só a eletricidade, o magnetismo, a termodinâmica e a hidrodinâmica, mas também questões geofísicas sobre as marés, o formato da Terra, a eletricidade atmosférica, os estudos térmicos do solo, a rotação da Terra e o geomagnetismo.

Com base na teoria termodinâmica e nos estudos de Fourier, Thomson, em 1862, estimou que há mais de um milhão de anos atrás, a temperatura da Terra deveria ter sido consideravelmente maior e que essas condições teriam produzido violentas tempestades, inundações e um tipo totalmente diferente de vegetação.

Em 1866, Thomson foi condecorado e elevado à nobreza, em reconhecimento pelo seu trabalho em engenharia e física. Um ano depois, publicou o livro Tratado sobre a Filosofia Natural, um trabalho sobre física que ajudou a moldar o pensamento de uma geração de físicos. Thomson recebeu títulos honoris causa de universidades de todo o mundo e foi elogiado por associações de engenharia e organizações científicas. Foi eleito membro da Royal Society, em 1851, e serviu como presidente de 1890 a 1895. Publicou mais de 600 artigos e obteve dezenas de patentes. Morreu na sua propriedade, na Escócia, e foi enterrado na Abadia de Westminster, em Londres. Em sua homenagem, a unidade SI de temperatura absoluta é designada por kelvin (símbolo K).