James Chadwick wurde am 20. Oktober 1891 in Cheshire, England, als Sohn geboren von John Joseph Chadwick und Anne Mary Knowles. Er besuchte die Manchester High School, bevor er 1908 an die Manchester University ging. Er absolvierte die Honors School of Physics im Jahr 1911 und verbrachte die nächsten zwei Jahre unter Professor (später Lord) Rutherford im Physical Laboratory in Manchester, wo er an verschiedenen Radioaktivitätsproblemen arbeitete und seinen M.Sc. Im selben Jahr erhielt er das Ausstellungsstipendium von 1851 und ging nach Berlin, um bei Professor H. Geiger in der Physikalischen Technischen Reichsanstalt in Charlottenburg zu arbeiten.
Während des Ersten Weltkriegs war er Praktikant in der Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Nach dem Krieg kehrte er 1919 nach England zurück, um das Wollaston-Stipendium am Gonville and Caius College in Cambridge anzunehmen und die Arbeit unter Rutherford wieder aufzunehmen, der inzwischen in das Cavendish Laboratory in Cambridge gezogen war. Rutherford war es in diesem Jahr gelungen, Atome durch Beschuss von Stickstoff mit Alpha-Teilchen unter Emission eines Protons zu zersetzen. Dies war die erste künstliche nukleare Transformation. In Cambridge gelang es Chadwick zusammen mit Rutherford, die Transmutation anderer Lichtelemente durch Beschuss mit Alpha-Partikeln zu erreichen und die Eigenschaften und die Struktur von Atomkernen zu untersuchen.
Er wurde zum Fellow des Gonville and Caius College gewählt ( 1921-1935) und wurde stellvertretender Forschungsdirektor im Cavendish Laboratory (1923). 1927 wurde er zum Fellow der Royal Society gewählt.
1932 machte Chadwick eine grundlegende Entdeckung auf dem Gebiet der Nuklearwissenschaft: Er bewies die Existenz von Neutronen – Elementarteilchen ohne elektrische Ladung. Im Gegensatz zu den Heliumkernen (Alphastrahlen), die geladen sind und daher durch die beträchtlichen elektrischen Kräfte in den Kernen schwerer Atome abgestoßen werden, muss dieses neue Werkzeug zur atomaren Zersetzung keine elektrische Barriere überwinden und ist in der Lage, die zu durchdringen und zu spalten Kerne selbst der schwersten Elemente. Chadwick bereitete auf diese Weise den Weg zur Spaltung von Uran 235 und zur Schaffung der Atombombe. Für diese epochale Entdeckung wurde er 1932 mit der Hughes-Medaille der Royal Society und 1935 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Er blieb in Cambridge, bis er 1935 in den Lyon Jones gewählt wurde Lehrstuhl für Physik an der Universität von Liverpool. Von 1943 bis 1946 arbeitete er in den USA als Leiter der britischen Mission des Manhattan-Projekts zur Entwicklung der Atombombe. Er kehrte nach England zurück und zog sich 1948 bei seiner Wahl zum Master of Gonville und zum Caius College in Cambridge von der aktiven Physik und seiner Position in Liverpool zurück. Er zog sich 1959 von dieser Meisterschaft zurück. Von 1957 bis 1962 war er Teilzeitmitglied der britischen Atomenergiebehörde.
Chadwick hat zahlreiche Artikel zum Thema Radioaktivität und damit verbundene Probleme sowie mit Lord veröffentlicht Rutherford und CD Ellis, er ist Co-Autor des Buches Radiations from Radioactive Substanzen (1930).
Sir James wurde 1945 zum Ritter geschlagen. Abgesehen von der oben erwähnten Hughes-Medaille (Royal Society) erhielt er die Copley-Medaille (1950) und Franklin-Medaille des Franklin Institute, Philadelphia (1951). Er ist Honorary Fellow des Institute of Physics und neben der Ehrendoktorwürde der Universitäten Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool und Edinburgh Mitglied mehrerer ausländischer Staaten Akademien als Associé der Académie Royale de Belgique; Ausländisches Mitglied der Kongelige Danske Videnskabernes Selskab und der Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Korrespondierendes Mitglied der Sächsischen Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Mitglied der Pontificia Academia Scientiarum und des Franklin Institute; Ehrenmitglied der American Philosophical Society und der American Physical Society.
1925 heiratete er Aileen Stewart-Brown aus Liverpool. Sie haben Zwillingstöchter und leben in Denbigh, Nordwales. Zu seinen Hobbys zählen Gartenarbeit und Angeln.