James Chadwick s-a născut în Cheshire, Anglia, la 20 octombrie 1891, fiul a lui John Joseph Chadwick și Anne Mary Knowles. A urmat liceul din Manchester înainte de a intra în Manchester University în 1908; a absolvit Școala de Fizică cu Onoare în 1911 și a petrecut următorii doi ani sub profesorul (mai târziu Lord) Rutherford în Laboratorul de fizică din Manchester, unde a lucrat la diferite probleme de radioactivitate, obținându-și masteratul. în același an, i s-a acordat bursa de expoziție din 1851 și a plecat la Berlin pentru a lucra la Physikalisch Technische Reichsanstalt din Charlottenburg sub conducerea profesorului H. Geiger.
Zivilgefangenenlager, Ruhleben. După război, în 1919, s-a întors în Anglia pentru a accepta studenția Wollaston la Gonville și Caius College, Cambridge și pentru a relua activitatea sub conducerea lui Rutherford, care între timp se mutase la Laboratorul Cavendish, Cambridge. Rutherford reușise în acel an să dezintegreze atomii bombardând azotul cu particule alfa, cu emisia unui proton. Aceasta a fost prima transformare nucleară artificială. În Cambridge, Chadwick s-a alăturat lui Rutherford în realizarea transmutației altor elemente ușoare prin bombardare cu particule alfa și în efectuarea de studii privind proprietățile și structura nucleelor atomice.
A fost ales membru al Gonville și Caius College ( 1921-1935) și a devenit director adjunct de cercetare în laboratorul Cavendish (1923). În 1927 a fost ales membru al Societății Regale.
În 1932, Chadwick a făcut o descoperire fundamentală în domeniul științei nucleare: a dovedit existența neutronilor – particule elementare lipsite de orice sarcină electrică. Spre deosebire de nucleele de heliu (raze alfa) care sunt încărcate și, prin urmare, respinse de forțele electrice considerabile prezente în nucleele atomilor grei, acest nou instrument în dezintegrarea atomică nu trebuie să depășească nicio barieră electrică și este capabil să pătrundă și să despartă nuclee ale celor mai grele elemente. Chadwick a pregătit în acest fel calea spre fisiunea uraniului 235 și către crearea bombei atomice. Pentru această descoperire de epocă, a primit Medalia Hughes a Societății Regale în 1932 și ulterior Premiul Nobel pentru Fizică în 1935.
A rămas la Cambridge până în 1935 când a fost ales la Lyon Jones Catedra de Fizică la Universitatea din Liverpool. Din 1943 până în 1946 a lucrat în Statele Unite în calitate de șef al misiunii britanice atașate proiectului Manhattan pentru dezvoltarea bombei atomice. S-a întors în Anglia și, în 1948, s-a retras din fizica activă și din poziția sa la Liverpool la alegerea sa ca Maestru al Gonville și Caius College, Cambridge. S-a retras din această masterat în 1959. Din 1957 până în 1962 a fost membru cu jumătate de normă al Autorității pentru Energie Atomică din Regatul Unit.
Chadwick a publicat numeroase lucrări pe tema radioactivității și a problemelor legate și, împreună cu Lord Rutherford și CD Ellis, el este co-autor al cărții Radiații din substanțe radioactive (1930).
Sir James a fost numit cavaler în 1945. În afară de Medalia Hughes (Societatea Regală) menționată mai sus, a primit Medalia Copley (1950) și Medalia Franklin a Institutului Franklin, Philadelphia (1951). Este membru onorific al Institutului de Fizică și, pe lângă faptul că a obținut titluri de doctor onorifice de la Universitățile Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool și Edinburgh, este membru al mai multor state academii, fiind Associaé al Académie Royale de Belgique; Membru străin al Kongelige Danske Videnskabernes Selskab și al Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Membru corespondent al Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Membru al Pontificia Academia Scientiarum și al Institutului Franklin; Membru de onoare al American Philosophical Society și American Physical Society.
În 1925, s-a căsătorit cu Aileen Stewart-Brown din Liverpool. Au fiice gemene și locuiesc la Denbigh, Țara Galilor de Nord. Hobby-urile sale includ grădinăritul și pescuitul.