Chadwick studerte ved Victora University i Manchester og oppnådde sin mastergrad i 1913. I perioden 1913–1914 forsket han på betastråling hos Hans Geiger i Tyskland og satt internert der under første verdenskrig. Fra 1919 arbeidet han hos Ernest Rutherford ved Cavendish Laboratory i Cambridge og utførte et pionerarbeid innen kjernefysisk forskning.

Størst betydning fikk hans oppdagelse av nøytronet i 1932, et arbeid han fikk Nobelprisen i fysikk for i 1935. I perioden 1935–1948 var han professor i Liverpool og deretter (1948–1959) professor ved Cambridge.

Allerede i 1939 begynte han å undersøke muligheten for å lage en kjernefysisk bombe. Under krigen var han leder for den britiske gruppen som deltok i Manhattan-prosjektet.