James Chadwick se narodil v Cheshire v Anglii 20. října 1891 jako syn John Joseph Chadwick a Anne Mary Knowles. Před nástupem na Manchester University v roce 1908 navštěvoval střední školu v Manchesteru; absolvoval fyzikální školu Honours v roce 1911 a další dva roky strávil u profesora (později lorda) Rutherforda ve Fyzikální laboratoři v Manchesteru, kde pracoval na různých problémech s radioaktivitou a získal titul M.Sc. téhož roku mu bylo uděleno stipendium na výstavu 1851 a pokračoval do Berlína, kde pracoval u Physikalisch Technische Reichsanstalt v Charlottenburgu u profesora H. Geigera.
Během první světové války byl internován v Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Po válce, v roce 1919, se vrátil do Anglie, aby přijal Wollastonovo stipendium na Gonville a Caius College v Cambridge a pokračoval v práci pod Rutherfordem, který se mezitím přestěhoval do Cavendish Laboratory v Cambridge. Ten rok Rutherford uspěl v rozpadu atomů bombardováním dusíku částicemi alfa s emisemi protonu. Jednalo se o první umělou jadernou transformaci. V Cambridge se Chadwick připojil k Rutherfordovi při uskutečňování transmutace dalších světelných prvků bombardováním částicemi alfa a při studiu vlastností a struktury atomových jader.
Byl zvolen za člena Gonville a Caius College ( 1921-1935) a stal se zástupcem ředitele výzkumu v Cavendish Laboratory (1923). V roce 1927 byl zvolen členem Královské společnosti.
V roce 1932 učinil Chadwick zásadní objev v oblasti jaderné vědy: dokázal existenci neutronů – elementárních částic bez jakéhokoli elektrického náboje. Na rozdíl od heliových jader (alfa paprsků), která jsou nabitá, a proto odpuzovaná značnými elektrickými silami přítomnými v jádrech těžkých atomů, nemusí tento nový nástroj pro atomový rozklad překonávat žádnou elektrickou bariéru a je schopen proniknout a rozdělit jádra i těch nejtěžších prvků. Chadwick tímto způsobem připravil cestu k štěpení uranu 235 a k vytvoření atomové bomby. Za tento epochální objev mu byla v roce 1932 udělena Hughesova medaile Královské společnosti a následně v roce 1935 Nobelova cena za fyziku.
V Cambridge zůstal až do roku 1935, kdy byl zvolen do Lyon Jones Předseda fyziky na univerzitě v Liverpoolu. V letech 1943 až 1946 pracoval ve Spojených státech jako vedoucí britské mise připojené k projektu Manhattan pro vývoj atomové bomby. Vrátil se do Anglie a v roce 1948 odešel z aktivní fyziky a svého postavení v Liverpoolu, když byl zvolen mistrem Gonville a Caius College v Cambridge. V roce 1959 odešel z tohoto magisterského studia. V letech 1957 až 1962 byl členem na částečný úvazek ve Spojeném království pro atomovou energii.
Chadwick nechal vydat mnoho článků na téma radioaktivity a souvisejících problémů a spolu s Lordem Rutherford a CD Ellis, spoluautor knihy Radiace z radioaktivních látek (1930).
Sir James byl povýšen do šlechtického stavu v roce 1945. Kromě výše zmíněné Hughesovy medaile (Royal Society) obdržel Copley Medal (1950) a Franklinova medaile Franklinova institutu ve Filadelfii (1951). Je čestným členem Fyzikálního ústavu a kromě získání čestných doktorátů na univerzitách v Readingu, Dublinu, Leedsu, Oxfordu, Birminghamu, Montrealu (McGill), Liverpoolu a Edinburghu je členem několika zahraničních univerzit. akademie jako spolupracovník Académie Royale de Belgique; Zahraniční člen Kongelige Danske Videnskabernes Selskab a Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Odpovídající člen Sächsische Akademie der Wissenschaften, Lipsko; Člen Pontificia Academia Scientiarum a Franklin Institute; Čestný člen Americké filozofické společnosti a Americké fyzické společnosti.
V roce 1925 se oženil s Aileen Stewart-Brownovou z Liverpoolu. Mají dvojčata a žijí v Denbighu v severním Walesu. Mezi jeho koníčky patří zahradničení a rybaření.