James Chadwick blev født i Cheshire, England, den 20. oktober 1891, søn af John Joseph Chadwick og Anne Mary Knowles. Han deltog i Manchester High School, inden han kom ind i Manchester University i 1908; han dimitterede fra Honours School of Physics i 1911 og tilbragte de næste to år under professor (senere Lord) Rutherford i Physical Laboratory i Manchester, hvor han arbejdede med forskellige radioaktivitetsproblemer og fik sin M.Sc. grad i 1913. Samme år blev han tildelt udstillingsstipendiet 1851 og fortsatte til Berlin for at arbejde i Physikalisch Technische Reichsanstalt i Charlottenburg under professor H. Geiger.
Under første verdenskrig blev han interneret i Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Efter krigen, i 1919, vendte han tilbage til England for at acceptere Wollaston Studentship ved Gonville og Caius College, Cambridge, og for at genoptage arbejdet under Rutherford, som i mellemtiden var flyttet til Cavendish Laboratory, Cambridge. Det var lykkedes Rutherford det år at nedbryde atomer ved at bombardere kvælstof med alfapartikler med emissionen af en proton. Dette var den første kunstige nukleare transformation. I Cambridge sluttede Chadwick sig til Rutherford for at gennemføre transmutationen af andre lyselementer ved bombardement med alfapartikler og ved at foretage undersøgelser af atomkernenes egenskaber og struktur.
Han blev valgt til stipendiat i Gonville og Caius College ( 1921-1935) og blev assisterende direktør for forskning i Cavendish Laboratory (1923). I 1927 blev han valgt som stipendiat i Royal Society.
I 1932 foretog Chadwick en grundlæggende opdagelse inden for atomvidenskab: han beviste eksistensen af neutroner – elementære partikler uden elektrisk ladning. I modsætning til de heliumkerner (alfastråler), som er ladet og derfor afvist af de betydelige elektriske kræfter, der er til stede i kernerne i tunge atomer, behøver dette nye værktøj til atomær opløsning ikke at overvinde nogen elektrisk barriere og er i stand til at trænge ind og opdele kerner af selv de tungeste grundstoffer. Chadwick forberedte på denne måde vejen mod fission af uran 235 og mod oprettelsen af atombomben. For denne epokerende opdagelse blev han tildelt Hughes-medaljen fra Royal Society i 1932 og derefter Nobelprisen for fysik i 1935.
Han forblev i Cambridge indtil 1935, da han blev valgt til Lyon Jones Formand for fysik ved University of Liverpool. Fra 1943 til 1946 arbejdede han i USA som chef for den britiske mission tilknyttet Manhattan-projektet til udvikling af atombomben. Han vendte tilbage til England og trak sig i 1948 tilbage fra aktiv fysik og sin stilling i Liverpool ved sit valg til Master of Gonville og Caius College, Cambridge. Han trak sig tilbage fra dette mesterskab i 1959. Fra 1957 til 1962 var han deltidsmedlem i Det Forenede Kongeriges Atomic Energy Authority.
Chadwick har fået offentliggjort mange artikler om emnet radioaktivitet og forbundne problemer og med Lord Rutherford og CD Ellis, han er medforfatter til bogen Stråling fra radioaktive stoffer (1930).
Sir James blev riddere i 1945. Bortset fra den nævnte Hughes-medalje (Royal Society) modtog han Copley Medal (1950) og Franklin Medal of the Franklin Institute, Philadelphia (1951). Han er æresstipendiat ved Institut for Fysik og udover at modtage æresdoktorgrader fra Universiteterne i Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool og Edinburgh, er han medlem af flere udenlandske akademier, der er Associé for Académie Royale de Belgique; Udenlandsk medlem af Kongelige Danske Videnskabernes Selskab og Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Tilsvarende medlem af Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Medlem af Pontificia Academia Scientiarum og Franklin Institute; Æresmedlem af American Philosophical Society og American Physical Society.
I 1925 giftede han sig med Aileen Stewart-Brown fra Liverpool. De har tvillede døtre og bor i Denbigh, North Wales. Hans hobbyer inkluderer havearbejde og fiskeri.