James Chadwick az angliai Cheshire-ben született 1891. október 20-án. John Joseph Chadwick és Anne Mary Knowles. A manchesteri középiskolába járt, mielőtt 1908-ban belépett a manchesteri egyetemre; 1911-ben diplomázott a Honours Physics School-ban, és a következő két évet Rutherford professzor (később Lord) irányításával töltötte a manchesteri fizikai laboratóriumban, ahol különféle radioaktivitási problémákkal foglalkozott, megszerezve oklevelét. diplomát kapott 1913-ban. Ugyanebben az évben megkapta az 1851-es kiállítási ösztöndíjat, és Berlinbe ment, hogy a Charlottenburgi Physikalisch Technische Reichsanstaltban dolgozzon H. Geiger professzor vezetésével.
Az első világháború alatt internálták a Zivilgefangenenlager, Ruhleben. A háború után, 1919-ben visszatért Angliába, hogy elfogadja a cambridge-i Gonville és Caius College Wollaston Studenthip-jét, és folytassa a munkát Rutherford vezetésével, aki időközben a cambridge-i Cavendish Laboratory-ba költözött. Rutherfordnak abban az évben sikerült az atomokat szétbontania azáltal, hogy a nitrogént alfa részecskékkel bombázta protonkibocsátással. Ez volt az első mesterséges nukleáris átalakulás. Cambridge-ben Chadwick csatlakozott Rutherfordhoz más fényelemek transzmutációjának megvalósításában alfa részecskékkel történő bombázással, valamint az atommagok tulajdonságainak és szerkezetének tanulmányozásával.
A Gonville és a Caius College munkatársává választották ( 1921-1935) és a Cavendish Laboratórium kutatási igazgatóhelyettese lett (1923). 1927-ben a Royal Society tagjává választották.
1932-ben Chadwick alapvető felfedezést tett a nukleáris tudomány területén: bebizonyította, hogy léteznek neutronok – elemi részecskék, amelyekben nincs semmilyen elektromos töltés. A feltöltött héliummagokkal (alfa sugarakkal) ellentétben, ezért a nehéz atomok atommagjában jelen lévő jelentős elektromos erők taszítják ezt az atomi dezintegrációs eszközt, amelynek nem kell legyőznie semmilyen elektromos akadályt, és képes behatolni és hasítani a a legnehezebb elemek magjai is. Chadwick ily módon előkészítette az utat az urán 235 hasadása és az atombomba létrehozása felé. E korszakos felfedezésért 1932-ben megkapta a Királyi Társaság Hughes-érmét, majd 1935-ben a fizikai Nobel-díjat.
1935-ig Cambridge-ben maradt, amikor megválasztották a Lyon Jones-ba. A Liverpooli Egyetem fizikai tanára. 1943 és 1946 között az Egyesült Államokban dolgozott az atombomba kifejlesztésére irányuló Manhattan-projekt melletti brit misszió vezetőjeként. Visszatért Angliába, és 1948-ban visszavonult az aktív fizikától és a liverpooli pozíciótól, amikor a cambridge-i Gonville és a Caius College mesterévé választották. 1957-től 1962-ig részmunkaidős tagja volt az Egyesült Királyság Atomenergia Hivatalának.
Chadwick számos cikket publikált a radioaktivitás és a kapcsolódó problémák témájában, és Lorddal együtt. Rutherford és CD Ellis, a Radiation from Radioactive materials (1930) című könyv társszerzője.
Sir James-t 1945-ben lovaggá ütötték. A fent említett Hughes-érem (Királyi Társaság) mellett megkapta a Copley-érem (1950) és a filadelfiai Franklin Intézet Franklin-érme (1951). A Fizikai Intézet tiszteletbeli munkatársa, és amellett, hogy díszdoktori fokozatot szerzett a Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool és Edinburgh Egyetemeken, számos külföldi akadémiák, az Académie Royale de Belgique munkatársa; A Kongelige Danske Videnskabernes Selskab és a Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen külföldi tagja; A lipcsei Sächsische Akademie der Wissenschaften levelező tagja; A Pontificia Academia Scientiarum és a Franklin Intézet tagja; Az Amerikai Filozófiai Társaság és az American Physical Society tiszteletbeli tagja.
1925-ben feleségül vette a liverpooli Aileen Stewart-Brownt. Van két lányuk, és Észak-Walesben, Denbigh-ben élnek. Hobbija a kertészkedés és a horgászat.