1824. január 26-án született Belfastban, apja a város egyetemének mérnök professzoraként tett szert hírnévre. Gyerekként sokat betegeskedett, így annak ellenére, hogy testvérei közül ő volt apja kedvence, félő volt, hogy nem léphet tudományos pályára. Kozmopolita nevelésben részesült, gyerekkorát Glasgowban, Londonban, a nyarakat pedig Franciaországban és Hollandiában töltötte. Képzését Skóciában kezdte meg, majd 1841-ben Cambridge-be került. Ekkora már több publikációval is felhívta magára a figyelmet, s bár nem a legkiválóbb minősítéssel diplomázott, megkapta a matematika és elméleti fizika terén sokat elért cambridge-i diákoknak járó kitüntetést.
Victor Regnault franciaországi laboratóriumában tett kitérőt követően, 22 éves korában professzori állást kínált számára a Glasgow-i Egyetem. Eredményeit elismerve már 1851-ben a Royal Society tagjává - 1890-ben pedig elnökévé - választották.

Legismertebb (Joule-lal közös) kutatása az abszolút hőmérsékleti skála megalkotása volt, amelyre a tudomány a mai napig támaszkodik. Ennek kezdőpontja az abszolút nulla fok, amelytől alacsonyabb hőmérséklet nincs, ekkor a molekulák, atomok mozgása megáll. A skála fokbeosztása megegyezik a Celsius-skáláéval, a jég olvadáspontjának a 273,16 fok, míg a víz forráspontjának a 373,16 fok felel meg.

Számos, a hő, fény, hang, gravitáció, elektromosság, mágnesesség, matematika, hidrodinamika, távközlés, csillagászat, meteorológia, földrajz, navigáció, árapály és rádióaktivitás területén elért eredményei (amelyekre a hathónapos tanév mellett volt ideje) mellett kalandvágyának is hódolhatott, persze szigorúan tudományos célokkal. Részt vett az Atlanti-óceánt átszelő több mint 4000 kilométer hosszú tenger alatti kábel tökéletesítésében és lehelyezésében, amivel sikeresen megoldották a nagy távolságú jeltovábbítás problémáját. Ő fejlesztette ki a távközlő jeleket fogadó tükrös galvanométert is.

Páratlan felfedezései elismeréseként Viktória királynő nemesi rangra emelte, s ő az egyeteme előtt kanyargó Kelvin folyóról a Lord Kelvin nevet választotta magának. 1899-ben vonult vissza a katedráról, az általa írt tankönyveket azonban még hosszú éveken át használták. Tudományos hitvallása a "mérni annyi, mint tudni" volt.