James Chadwick nasceu em Cheshire, Inglaterra, em 20 de outubro de 1891, o filho de John Joseph Chadwick e Anne Mary Knowles. Ele frequentou a Manchester High School antes de entrar na Manchester University em 1908; ele se formou na Honors School of Physics em 1911 e passou os dois anos seguintes sob o professor (mais tarde Lord) Rutherford no Physical Laboratory em Manchester, onde trabalhou em vários problemas de radioatividade, ganhando seu M.Sc. em 1913. Naquele mesmo ano, recebeu a Bolsa de Exposição de 1851 e seguiu para Berlim para trabalhar no Physikalisch Technische Reichsanstalt em Charlottenburg sob o professor H. Geiger.
Durante a Primeira Guerra Mundial, ele foi internado no Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Após a guerra, em 1919, ele retornou à Inglaterra para aceitar o Wollaston Studentship no Gonville and Caius College, Cambridge, e para retomar o trabalho com Rutherford, que nesse ínterim havia se mudado para o Cavendish Laboratory, Cambridge. Rutherford havia conseguido naquele ano desintegrar átomos bombardeando nitrogênio com partículas alfa, com a emissão de um próton. Esta foi a primeira transformação nuclear artificial. Em Cambridge, Chadwick se juntou a Rutherford para realizar a transmutação de outros elementos leves por bombardeio com partículas alfa e para fazer estudos sobre as propriedades e estrutura dos núcleos atômicos.
Ele foi eleito Fellow do Gonville and Caius College ( 1921-1935) e tornou-se Diretor Assistente de Pesquisa no Laboratório Cavendish (1923). Em 1927 foi eleito Fellow da Royal Society.
Em 1932, Chadwick fez uma descoberta fundamental no domínio da ciência nuclear: ele provou a existência de nêutrons – partículas elementares desprovidas de qualquer carga elétrica. Em contraste com os núcleos de hélio (raios alfa) que são carregados e, portanto, repelidos pelas consideráveis forças elétricas presentes nos núcleos dos átomos pesados, esta nova ferramenta na desintegração atômica não precisa superar nenhuma barreira elétrica e é capaz de penetrar e dividir o núcleos mesmo dos elementos mais pesados. Chadwick preparou assim o caminho para a fissão do urânio 235 e para a criação da bomba atômica. Por essa descoberta que marcou época, ele recebeu a Medalha Hughes da Royal Society em 1932 e, posteriormente, o Prêmio Nobel de Física em 1935.
Ele permaneceu em Cambridge até 1935, quando foi eleito para o Lyon Jones Cadeira de Física na Universidade de Liverpool. De 1943 a 1946, ele trabalhou nos Estados Unidos como Chefe da Missão Britânica ligada ao Projeto Manhattan para o desenvolvimento da bomba atômica. Ele retornou à Inglaterra e, em 1948, aposentou-se da física ativa e de sua posição em Liverpool ao ser eleito Mestre de Gonville e Caius College, em Cambridge. Ele se aposentou deste mestrado em 1959. De 1957 a 1962, ele foi um membro em tempo parcial da Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido.
Chadwick teve muitos artigos publicados sobre o tópico de radioatividade e problemas conectados e, com Lord Rutherford e CD Ellis, ele é co-autor do livro Radiations from Radioactive Substâncias (1930).
Sir James foi nomeado cavaleiro em 1945. Além da Medalha Hughes (Royal Society) mencionada acima, ele recebeu o Medalha Copley (1950) e a Medalha Franklin do Instituto Franklin, Filadélfia (1951). Ele é um Honorary Fellow do Institute of Physics e, além de receber títulos de doutor honorários das Universidades de Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool e Edimburgo, ele é membro de vários estrangeiros academias, sendo Associé da Académie Royale de Belgique; Membro estrangeiro da Kongelige Danske Videnskabernes Selskab e da Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Membro Correspondente da Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Membro da Pontificia Academia Scientiarum e do Franklin Institute; Membro honorário da American Philosophical Society e da American Physical Society.
Em 1925, ele se casou com Aileen Stewart-Brown, de Liverpool. Eles têm filhas gêmeas e vivem em Denbigh, North Wales. Seus hobbies incluem jardinagem e pesca.