James Chadwick est né à Cheshire, en Angleterre, le 20 octobre 1891, le fils de John Joseph Chadwick et Anne Mary Knowles. Il a fréquenté le Manchester High School avant dentrer à lUniversité de Manchester en 1908; il est diplômé de la Honors School of Physics en 1911 et a passé les deux années suivantes sous la direction du professeur (plus tard Lord) Rutherford au laboratoire de physique de Manchester, où il a travaillé sur divers problèmes de radioactivité, obtenant son M.Sc. diplôme en 1913. La même année, il reçut la bourse d’exposition de 1851 et se rendit à Berlin pour travailler au Physikalisch Technische Reichsanstalt à Charlottenburg sous la direction du professeur H. Geiger.
Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Après la guerre, en 1919, il retourna en Angleterre pour accepter la bourse détudes Wollaston au Gonville and Caius College de Cambridge et pour reprendre le travail sous la direction de Rutherford, qui entre-temps avait déménagé au Cavendish Laboratory de Cambridge. Rutherford avait réussi cette année-là à désintégrer des atomes en bombardant de lazote avec des particules alpha, avec lémission dun proton. Cétait la première transformation nucléaire artificielle. À Cambridge, Chadwick sest joint à Rutherford pour accomplir la transmutation dautres éléments légers par bombardement avec des particules alpha, et pour faire des études sur les propriétés et la structure des noyaux atomiques.
Il a été élu Fellow du Gonville and Caius College ( 1921-1935) et devient directeur adjoint de la recherche au laboratoire Cavendish (1923). En 1927, il fut élu membre de la Royal Society.
En 1932, Chadwick fit une découverte fondamentale dans le domaine de la science nucléaire: il prouva lexistence de neutrons – des particules élémentaires dépourvues de toute charge électrique. Contrairement aux noyaux dhélium (rayons alpha) chargés, et donc repoussés par les forces électriques considérables présentes dans les noyaux des atomes lourds, ce nouvel outil de désintégration atomique na besoin de surmonter aucune barrière électrique et est capable de pénétrer et de diviser noyaux des éléments les plus lourds. Chadwick a ainsi préparé la voie vers la fission de luranium 235 et vers la création de la bombe atomique. Pour cette découverte historique, il reçut la médaille Hughes de la Royal Society en 1932, puis le prix Nobel de physique en 1935.
Il resta à Cambridge jusquen 1935, date à laquelle il fut élu au Lyon Jones Chaire de physique à lUniversité de Liverpool. De 1943 à 1946, il a travaillé aux États-Unis en tant que chef de la mission britannique rattachée au projet Manhattan pour le développement de la bombe atomique. Il retourna en Angleterre et, en 1948, se retira de la physique active et de son poste à Liverpool lors de son élection en tant que maître de Gonville et Caius College, Cambridge. Il a pris sa retraite de cette maîtrise en 1959. De 1957 à 1962, il était membre à temps partiel de la United Kingdom Atomic Energy Authority.
Chadwick a publié de nombreux articles sur le thème de la radioactivité et des problèmes connexes et, avec Lord Rutherford et CD Ellis, il est co-auteur du livre Radiations from Radioactive substances (1930).
Sir James a été fait chevalier en 1945. Outre la médaille Hughes (Royal Society) mentionnée ci-dessus, il a reçu le Médaille Copley (1950) et la médaille Franklin du Franklin Institute, Philadelphie (1951). Il est membre honoraire de lInstitut de physique et, en plus de recevoir des doctorats honorifiques des universités de Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montréal (McGill), Liverpool et Édimbourg, il est membre de plusieurs académies, étant Associé de lAcadémie Royale de Belgique; Membre étranger de la Kongelige Danske Videnskabernes Selskab et de la Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Membre correspondant de la Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Membre de la Pontificia Academia Scientiarum et du Franklin Institute; Membre honoraire de lAmerican Philosophical Society et de lAmerican Physical Society.
En 1925, il épouse Aileen Stewart-Brown de Liverpool. Ils ont des filles jumelles et vivent à Denbigh, au nord du Pays de Galles. Ses passe-temps incluent le jardinage et la pêche.