James Chadwick nació en Cheshire, Inglaterra, el 20 de octubre de 1891, el hijo de John Joseph Chadwick y Anne Mary Knowles. Asistió a la Manchester High School antes de ingresar a la Universidad de Manchester en 1908; se graduó de la Honors School of Physics en 1911 y pasó los dos años siguientes con el profesor (más tarde Lord) Rutherford en el Laboratorio de Física de Manchester, donde trabajó en varios problemas de radiactividad, obteniendo su M.Sc. Licenciado en 1913. Ese mismo año recibió la Beca de Exposición de 1851 y se trasladó a Berlín para trabajar en el Physikalisch Technische Reichsanstalt en Charlottenburg con el profesor H. Geiger.
Durante la Primera Guerra Mundial, fue internado en el Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Después de la guerra, en 1919, regresó a Inglaterra para aceptar la Beca Wollaston en Gonville and Caius College, Cambridge, y reanudar el trabajo con Rutherford, quien mientras tanto se había trasladado al Laboratorio Cavendish, Cambridge. Rutherford había logrado ese año desintegrar átomos bombardeando nitrógeno con partículas alfa, con la emisión de un protón. Esta fue la primera transformación nuclear artificial. En Cambridge, Chadwick se unió a Rutherford para lograr la transmutación de otros elementos ligeros mediante el bombardeo con partículas alfa y para realizar estudios de las propiedades y la estructura de los núcleos atómicos.
Fue elegido miembro de Gonville and Caius College ( 1921-1935) y se convirtió en Subdirector de Investigación en el Laboratorio Cavendish (1923). En 1927 fue elegido miembro de la Royal Society.
En 1932, Chadwick hizo un descubrimiento fundamental en el dominio de la ciencia nuclear: demostró la existencia de neutrones, partículas elementales desprovistas de carga eléctrica. A diferencia de los núcleos de helio (rayos alfa) que están cargados y, por lo tanto, repelidos por las considerables fuerzas eléctricas presentes en los núcleos de los átomos pesados, esta nueva herramienta de desintegración atómica no necesita superar ninguna barrera eléctrica y es capaz de penetrar y escindir el núcleos de incluso los elementos más pesados. Chadwick preparó así el camino hacia la fisión del uranio 235 y hacia la creación de la bomba atómica. Por este descubrimiento que hizo época, recibió la Medalla Hughes de la Royal Society en 1932 y, posteriormente, el Premio Nobel de Física en 1935.
Permaneció en Cambridge hasta 1935, cuando fue elegido miembro del Lyon Jones. Catedrático de Física de la Universidad de Liverpool. De 1943 a 1946 trabajó en Estados Unidos como Jefe de la Misión Británica adjunta al Proyecto Manhattan para el desarrollo de la bomba atómica. Regresó a Inglaterra y, en 1948, se retiró de la física activa y de su puesto en Liverpool al ser elegido Maestro de Gonville and Caius College, Cambridge. Se retiró de esta Maestría en 1959. De 1957 a 1962 fue miembro a tiempo parcial de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido.
Chadwick ha publicado muchos artículos sobre el tema de la radiactividad y problemas relacionados y, con Lord Rutherford y CD Ellis, es coautor del libro Radiaciones de sustancias radiactivas (1930).
Sir James fue nombrado caballero en 1945. Además de la Medalla Hughes (Royal Society) mencionada anteriormente, recibió el Medalla Copley (1950) y Medalla Franklin del Instituto Franklin, Filadelfia (1951). Es miembro honorario del Instituto de Física y, además de recibir títulos de doctorado honoris causa de las universidades de Reading, Dublín, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool y Edimburgo, es miembro de varias universidades extranjeras. academias, siendo asociado de la Académie Royale de Belgique; Miembro extranjero de Kongelige Danske Videnskabernes Selskab y Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Miembro correspondiente de la Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Miembro de la Pontificia Academia Scientiarum y del Instituto Franklin; Miembro honorario de la American Philosophical Society y la American Physical Society.
En 1925, se casó con Aileen Stewart-Brown de Liverpool. Tienen hijas gemelas y viven en Denbigh, Gales del Norte. Sus pasatiempos incluyen la jardinería y la pesca.