James Chadwick è nato nel Cheshire, in Inghilterra, il 20 ottobre 1891, il figlio di John Joseph Chadwick e Anne Mary Knowles. Ha frequentato la Manchester High School prima di entrare allUniversità di Manchester nel 1908; si laureò alla Honours School of Physics nel 1911 e trascorse i due anni successivi sotto il professor (poi Lord) Rutherford nel Physical Laboratory di Manchester, dove lavorò su vari problemi di radioattività, conseguendo il M.Sc. laurea nel 1913. Nello stesso anno ottenne la borsa di studio per lesposizione del 1851 e si recò a Berlino per lavorare nella Physikalisch Technische Reichsanstalt di Charlottenburg sotto il professor H. Geiger.
Durante la prima guerra mondiale fu internato nel Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Dopo la guerra, nel 1919, tornò in Inghilterra per accettare la Wollaston Studentship al Gonville and Caius College, Cambridge, e per riprendere il lavoro sotto Rutherford, che nel frattempo si era trasferito al Cavendish Laboratory, Cambridge. Rutherford era riuscito quellanno a disintegrare gli atomi bombardando lazoto con particelle alfa, con lemissione di un protone. Questa è stata la prima trasformazione nucleare artificiale. A Cambridge, Chadwick si unì a Rutherford nel realizzare la trasmutazione di altri elementi leggeri mediante bombardamento con particelle alfa e nello studio delle proprietà e della struttura dei nuclei atomici.
Fu eletto Fellow di Gonville e Caius College ( 1921-1935) e divenne vicedirettore della ricerca presso il Cavendish Laboratory (1923). Nel 1927 fu eletto Fellow della Royal Society.
Nel 1932, Chadwick fece una scoperta fondamentale nel campo della scienza nucleare: dimostrò lesistenza dei neutroni, particelle elementari prive di qualsiasi carica elettrica. A differenza dei nuclei di elio (raggi alfa) che sono carichi, e quindi respinti dalle notevoli forze elettriche presenti nei nuclei degli atomi pesanti, questo nuovo strumento di disintegrazione atomica non necessita di superare alcuna barriera elettrica ed è in grado di penetrare e scindere il nuclei anche degli elementi più pesanti. Chadwick ha così preparato la strada alla fissione delluranio 235 e alla creazione della bomba atomica. Per questa scoperta epocale fu insignito della Medaglia Hughes della Royal Society nel 1932 e successivamente del Premio Nobel per la fisica nel 1935.
Rimase a Cambridge fino al 1935 quando fu eletto al Lyon Jones Cattedra di Fisica presso lUniversità di Liverpool. Dal 1943 al 1946 ha lavorato negli Stati Uniti come Capo della Missione britannica collegata al Progetto Manhattan per lo sviluppo della bomba atomica. Tornò in Inghilterra e, nel 1948, si ritirò dalla fisica attiva e dalla sua posizione a Liverpool per la sua elezione a Master of Gonville and Caius College, Cambridge. Si è ritirato da questo Master nel 1959. Dal 1957 al 1962 è stato membro a tempo parziale dellAutorità per lenergia atomica del Regno Unito.
Chadwick ha avuto molti articoli pubblicati sul tema della radioattività e dei problemi connessi e, con Lord Rutherford e CD Ellis, è coautore del libro Radiazioni da sostanze radioattive (1930).
Sir James è stato nominato cavaliere nel 1945. Oltre alla Medaglia Hughes (Royal Society) di cui sopra, ha ricevuto la Copley Medal (1950) e Franklin Medal del Franklin Institute, Philadelphia (1951). È Honorary Fellow dellInstitute of Physics e, oltre a ricevere dottorati honoris causa dalle Università di Reading, Dublino, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool ed Edimburgo, è membro di diversi accademie, essendo Associé dellAcadémie Royale de Belgique; Membro straniero della Kongelige Danske Videnskabernes Selskab e della Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Membro corrispondente della Sächsische Akademie der Wissenschaften, Lipsia; Membro della Pontificia Academia Scientiarum e del Franklin Institute; Membro onorario dellAmerican Philosophical Society e dellAmerican Physical Society.
Nel 1925 sposò Aileen Stewart-Brown di Liverpool. Hanno due figlie gemelle e vivono a Denbigh, nel Galles del Nord. I suoi hobby includono il giardinaggio e la pesca.