Ще студентом Томсон опублікував ряд робіт з застосуванням рядів Фур'є до питань фізики і в чудовому дослідженні «Рівномірний рух тепла в однорідному твердому тілі і його зв'язок з математичною теорією електрики» («The Cambridge math. Journ.», 1842) провів важливі аналогії між явищами поширення тепла і електричного струму і показав, як вирішення питань з однієї з цих галузей застосувати до питань іншої галузі. В іншому дослідженні «The Linear Motion of Heat» (1842, ibid.) Томсон розвинув принципи, які потім плідно застосував до багатьох питань динамічної геології, наприклад, до питання про охолодження Землі.
У 1845 році, перебуваючи в Парижі, Томсон почав у журналі Жозефа Ліувілля друкування ряду статей з електростатики, в яких виклав свій метод дзеркальних зображень, що дав можливість просто розв'язати багато складних задач електростатики.
З 1849 року пішов відлік робіт Томсона з термодинаміки, надрукованих у виданнях королівського товариства в Единбурзі. У першій з цих робіт Томсон, спираючись на дослідження Джоуля, вказав, як слід змінити принцип Карно, викладений у творі останнього «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance» (1824 рік), для того, щоб принцип узгоджувався з сучасними даними; ця знаменита робота містить одне з перших формулювань другого закону термодинаміки.
У 1852 році Томсон дав інше формулювання його, а саме вчення про розсіяння енергії.
У тому ж році Томсон спільно з Джоулем провів відоме дослідження над охолодженням газів під час розширення без виконання роботи, яке послужило перехідним ступенем від теорії ідеальних газів до теорії реальних газів.
Розпочата в 1855 році робота з термоелектрики («Electrodynamic Qualities of Metals») викликала посилену експериментальну роботу; в ній брали участь студенти, і це поклало початок практичних робіт студентів в університеті Глазго — першому у Великій Британії, а також початок лабораторії з фізики в Глазго.
