James Chadwick urodził się w Cheshire w Anglii 20 października 1891 r. Jako syn Johna Josepha Chadwicka i Anne Mary Knowles. Uczęszczał do Manchester High School przed wstąpieniem na Manchester University w 1908 roku; ukończył Honours School of Physics w 1911 roku i spędził następne dwa lata pod kierunkiem profesora (później Lorda) Rutherforda w Physical Laboratory w Manchesterze, gdzie zajmował się różnymi problemami radioaktywności, uzyskując tytuł magistra. W tym samym roku otrzymał stypendium wystawowe 1851 i przeniósł się do Berlina, aby pracować w Physikalisch Technische Reichsanstalt w Charlottenburgu u profesora H. Geigera.
Podczas I wojny światowej był internowany w Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Po wojnie, w 1919 r., Wrócił do Anglii, aby przyjąć Wollaston Studentship w Gonville and Caius College w Cambridge i podjąć pracę pod kierunkiem Rutherforda, który w międzyczasie przeniósł się do Cavendish Laboratory w Cambridge. Tego roku Rutherfordowi udało się rozpadać atomy, bombardując azot cząstkami alfa z emisją protonu. To była pierwsza sztuczna transformacja jądrowa. W Cambridge Chadwick dołączył do Rutherforda w przeprowadzaniu transmutacji innych lekkich pierwiastków przez bombardowanie cząstkami alfa oraz w badaniach nad właściwościami i strukturą jąder atomowych.
Został wybrany członkiem Gonville and Caius College ( 1921-1935) i został zastępcą dyrektora ds. Badań w Laboratorium Cavendish (1923). W 1927 roku został wybrany członkiem Towarzystwa Królewskiego.
W 1932 roku Chadwick dokonał fundamentalnego odkrycia w dziedzinie nauki jądrowej: udowodnił istnienie neutronów – cząstek elementarnych pozbawionych jakiegokolwiek ładunku elektrycznego. W przeciwieństwie do jąder helu (promieni alfa), które są naładowane, a zatem odpychane przez znaczne siły elektryczne obecne w jądrach ciężkich atomów, to nowe narzędzie do rozpadu atomowego nie musi pokonywać żadnej bariery elektrycznej i jest zdolne do penetracji i rozszczepienia jądra nawet najcięższych pierwiastków. W ten sposób Chadwick przygotował drogę do rozszczepienia uranu 235 i stworzenia bomby atomowej. Za to epokowe odkrycie został odznaczony Medalem Hughesa Towarzystwa Królewskiego w 1932 roku, a następnie Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1935 roku.
Pozostał w Cambridge do 1935 roku, kiedy został wybrany na członka Lyon Jones Katedra Fizyki na Uniwersytecie w Liverpoolu. Od 1943 do 1946 roku pracował w Stanach Zjednoczonych jako szef brytyjskiej misji przy Projekcie Manhattan na rzecz rozwoju bomby atomowej. Wrócił do Anglii i w 1948 r. Przeszedł na emeryturę z aktywnej fizyki i posady w Liverpoolu po wyborze na mistrza Gonville and Caius College w Cambridge. Odszedł na emeryturę w 1959 roku. Od 1957 do 1962 był członkiem brytyjskiego Urzędu Energii Atomowej w niepełnym wymiarze godzin.
Chadwick opublikował wiele artykułów na temat radioaktywności i związanych z nią problemów. Rutherford i CD Ellis, jest współautorem książki Radiations from Radioactive substancje (1930).
Sir James otrzymał tytuł szlachecki w 1945 roku. Oprócz wspomnianego powyżej Medalu Hughesa (Royal Society) otrzymał Medal Copleya (1950) i Medal Franklina Instytutu Franklina w Filadelfii (1951). Jest honorowym członkiem Instytutu Fizyki i oprócz honorowego doktoratu na uniwersytetach w Reading, Dublinie, Leeds, Oksfordzie, Birmingham, Montrealu (McGill), Liverpoolu i Edynburgu, jest członkiem kilku zagranicznych akademie, będąc Associé w Académie Royale de Belgique; Członek zagraniczny Kongelige Danske Videnskabernes Selskab i Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Członek korespondent Sächsische Akademie der Wissenschaften w Lipsku; Członek Pontificia Academia Scientiarum i Franklin Institute; Honorowy członek American Philosophical Society i American Physical Society.
W 1925 roku ożenił się z Aileen Stewart-Brown z Liverpoolu. Mają córki bliźniaczki i mieszkają w Denbigh w Północnej Walii. Jego hobby to ogrodnictwo i wędkarstwo.