James Chadwick ble født i Cheshire, England, 20. oktober 1891, sønnen av John Joseph Chadwick og Anne Mary Knowles. Han gikk på Manchester High School før han begynte på Manchester University i 1908; han ble uteksaminert fra Honours School of Physics i 1911 og tilbrakte de neste to årene under professor (senere Lord) Rutherford i Physical Laboratory i Manchester, hvor han jobbet med ulike radioaktivitetsproblemer og fikk sin M.Sc. grad i 1913. Samme år ble han tildelt utstillingsstipendet fra 1851 og fortsatte til Berlin for å jobbe i Physikalisch Technische Reichsanstalt i Charlottenburg under professor H. Geiger.
Under første verdenskrig ble han internert i Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Etter krigen, i 1919, vendte han tilbake til England for å akseptere Wollaston Studentship ved Gonville og Caius College, Cambridge, og for å gjenoppta arbeidet under Rutherford, som i mellomtiden hadde flyttet til Cavendish Laboratory, Cambridge. Rutherford hadde lyktes det året i å oppløse atomene ved å bombe nitrogen med alfapartikler, med utslipp av et proton. Dette var den første kunstige atomtransformasjonen. I Cambridge sluttet Chadwick seg til Rutherford for å oppnå transmutasjon av andre lyselementer ved bombardement med alfapartikler, og for å studere egenskapene og strukturen til atomkjerner.
Han ble valgt til stipendiat i Gonville og Caius College ( 1921-1935) og ble assisterende forskningsdirektør i Cavendish Laboratory (1923). I 1927 ble han valgt til stipendiat i Royal Society.
I 1932 gjorde Chadwick en grunnleggende oppdagelse innen kjernefysisk vitenskap: han beviste eksistensen av nøytroner – elementære partikler uten elektrisk ladning. I motsetning til heliumkjernene (alfastråler) som er ladet og derfor avstøtt av de betydelige elektriske kreftene som er tilstede i kjernene til tunge atomer, trenger ikke dette nye verktøyet i atomoppløsning å overvinne noen elektrisk barriere og er i stand til å trenge gjennom og dele kjerner til og med de tyngste elementene. Chadwick forberedte på denne måten veien mot fisjon av uran 235 og mot opprettelsen av atombomben. For denne epokegjørende oppdagelsen ble han tildelt Hughes-medaljen fra Royal Society i 1932, og deretter Nobelprisen for fysikk i 1935.
Han ble værende i Cambridge til 1935 da han ble valgt til Lyon Jones. Leder for fysikk ved University of Liverpool. Fra 1943 til 1946 jobbet han i USA som sjef for den britiske misjonen knyttet til Manhattan-prosjektet for utvikling av atombomben. Han vendte tilbake til England og trakk seg i 1948 tilbake fra aktiv fysikk og sin stilling i Liverpool ved valget til Master of Gonville and Caius College, Cambridge. Han trakk seg fra dette mesterskapet i 1959. Fra 1957 til 1962 var han deltidsmedlem i Storbritannia Atomic Energy Authority.
Chadwick har hatt mange artikler publisert om temaet radioaktivitet og tilknyttede problemer, og sammen med Lord Rutherford og CD Ellis, han er medforfatter av boka Radiations from Radioactive stoffer (1930).
Sir James ble slått til ridder i 1945. Bortsett fra Hughes-medaljen (Royal Society) nevnt ovenfor, mottok han Copley Medal (1950) og Franklin Medal of the Franklin Institute, Philadelphia (1951). Han er æresstipendiat ved Institute of Physics, og i tillegg til å motta æresdoktorgrader fra universitetene i Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool og Edinburgh, er han medlem av flere utenlandske akademier, som er Associé for Académie Royale de Belgique; Utenlandsk medlem av Kongelige Danske Videnskabernes Selskab og Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Tilsvarende medlem av Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Medlem av Pontificia Academia Scientiarum og Franklin Institute; Æresmedlem av American Philosophical Society og American Physical Society.
I 1925 giftet han seg med Aileen Stewart-Brown fra Liverpool. De har tvillingsdøtre, og bor på Denbigh, Nord-Wales. Hans hobbyer inkluderer hagearbeid og fiske.