James Chadwick werd geboren in Cheshire, Engeland, op 20 oktober 1891, de zoon van John Joseph Chadwick en Anne Mary Knowles. Hij ging naar Manchester High School voordat hij in 1908 naar Manchester University ging; hij studeerde in 1911 af aan de Honours School of Physics en bracht de volgende twee jaar door onder professor (later Lord) Rutherford in het Physical Laboratory in Manchester, waar hij aan verschillende radioactiviteitsproblemen werkte en zijn M.Sc. graad in 1913. In datzelfde jaar ontving hij de 1851 Exhibition Scholarship en ging hij naar Berlijn om te werken in de Physikalisch Technische Reichsanstalt in Charlottenburg onder leiding van professor H. Geiger.
Tijdens de Eerste Wereldoorlog liep hij stage in de Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Na de oorlog, in 1919, keerde hij terug naar Engeland om het Wollaston Studentship te aanvaarden aan Gonville and Caius College, Cambridge, en om zijn werk te hervatten onder Rutherford, die intussen naar het Cavendish Laboratory, Cambridge was verhuisd. Rutherford was er dat jaar in geslaagd atomen te desintegreren door stikstof te bombarderen met alfadeeltjes, waarbij een proton werd uitgestoten. Dit was de eerste kunstmatige nucleaire transformatie. In Cambridge voegde Chadwick zich bij Rutherford bij het tot stand brengen van de transmutatie van andere lichtelementen door bombardementen met alfadeeltjes, en bij het bestuderen van de eigenschappen en structuur van atoomkernen.
Hij werd verkozen tot Fellow van Gonville en Caius College ( 1921-1935) en werd adjunct-directeur onderzoek in het Cavendish Laboratory (1923). In 1927 werd hij gekozen tot Fellow of the Royal Society.
In 1932 deed Chadwick een fundamentele ontdekking op het gebied van de nucleaire wetenschap: hij bewees het bestaan van neutronen – elementaire deeltjes zonder enige elektrische lading. In tegenstelling tot de heliumkernen (alfa-stralen) die worden geladen en daarom worden afgestoten door de aanzienlijke elektrische krachten die aanwezig zijn in de kernen van zware atomen, hoeft dit nieuwe hulpmiddel bij atomaire desintegratie geen enkele elektrische barrière te overwinnen en is het in staat om de kernen van zelfs de zwaarste elementen. Chadwick bereidde op deze manier de weg voor naar de splitsing van uranium 235 en naar het ontstaan van de atoombom. Voor deze baanbrekende ontdekking ontving hij in 1932 de Hughes-medaille van de Royal Society en vervolgens de Nobelprijs voor natuurkunde in 1935.
Hij bleef in Cambridge tot 1935 toen hij werd verkozen tot lid van de Lyon Jones Leerstoel natuurkunde aan de universiteit van Liverpool. Van 1943 tot 1946 werkte hij in de Verenigde Staten als hoofd van de Britse missie bij het Manhattan Project voor de ontwikkeling van de atoombom. Hij keerde terug naar Engeland en, in 1948, trok hij zich terug uit de actieve natuurkunde en zijn positie in Liverpool bij zijn verkiezing tot Master of Gonville en Caius College, Cambridge. Hij stopte met dit Meesterschap in 1959. Van 1957 tot 1962 was hij parttime lid van de Atomic Energy Authority van het Verenigd Koninkrijk.
Chadwick heeft veel artikelen gepubliceerd over het onderwerp radioactiviteit en daarmee samenhangende problemen, en met Lord Rutherford en CD Ellis, hij is co-auteur van het boek Radiations from Radioactive Substance (1930).
Sir James werd in 1945 tot ridder geslagen. Behalve de bovengenoemde Hughes Medal (Royal Society) ontving hij de Copley Medal (1950) en de Franklin Medal van het Franklin Institute, Philadelphia (1951). Hij is Honorary Fellow van het Institute of Physics en, naast het ontvangen van eredoctoraten van de universiteiten van Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool en Edinburgh, is hij ook lid van verschillende buitenlandse academies, zijnde Associé van de Académie Royale de Belgique; Buitenlands lid van de Kongelige Danske Videnskabernes Selskab en de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Corresponderend lid van de Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Lid van de Pontificia Academia Scientiarum en het Franklin Institute; Erelid van de American Philosophical Society en de American Physical Society.
In 1925 trouwde hij met Aileen Stewart-Brown uit Liverpool. Ze hebben twee dochters en wonen in Denbigh, Noord-Wales. Zijn hobbys zijn tuinieren en vissen.