汤姆生与其他青年物理学家一起，研究为什么气体在X射线照射下会变成电的导体。据汤姆生的推测：这种导电性，可能是由于在X射线的作用下，产生了某种带正电和带负电的微粒所引起的。他甚至认为：这些带电的微粒可能就是想象中原子的一部分。这种想法，在当时不能被接受，世界上哪有比原子更小的东西呢？
为了搞清楚在通电玻璃管内从阴极发出的射线可能就是由那些连续发射的粒子所组成的。汤姆生想称量出这些粒子的重量。可是怎么去称量那么小的粒子呢？
汤姆生利用电场和磁场来测量这种带电粒子流的偏转程度，以推测粒子的重量。他说，粒子愈重，愈不易被偏折；磁场愈强，粒子被愈折愈厉害。测量这些粒子被偏折的程度和磁场强度，就能间接地测出它们的质量，亦即能得出粒子所带电荷与其质量之比。这仿佛是要测定子弹的重量（铁子弹），我们可以在一个大磁场附近发射子弹，子弹受磁场的作用会偏离靶心，然后根据子弹偏离靶子多远和磁场强度大小推知子弹重量多大。
1897年，汤姆生根据实验指出，阴极射线是由速度很高（每秒10万千米）的带负电的粒子组成的。起初称为“粒子”，后来借用了以前人们对电荷最小单位的命名，称之为“电子”。实验结果表明，阴极射线粒子的电荷与质量之比与阴极所用的物质无关。也就是说，用任何物质做阴极射线管的阴极，都可以发出同样的粒子流，这表示任何元素的原子中都含有电子。汤姆生还发现，除阴极射线外，在其他许多现象中也遇到了这种粒子。例如把金属加热到足够高的温度时，金属或某些其他物质受光特别是受紫外线照射时，也都放出电子。这个事实更进一步说明了任何元素的原子中都含有电子。
汤姆生测出，电子的质量只有氢原子质量的1／1840，电子的电荷是-4.8×10-19静电系单位（或1.602×10-19库仑），电子的重量只有9.11×10-28克（约一千亿亿亿分之一克）。
汤姆生的思想摆脱了传统观念的束缚，发现了电子，但又因此受到了嘲笑。因为许多人根本就不相信，认为汤姆生的说法是愚蠢的，甚至说他是个骗子。汤姆生在英国科学知识普及会上讲述他关于电子方面的实验时，在座的大部分物理学家对他所持的观点表示怀疑。所以，在当时，电子的发现并没有引起广泛注意。关于这一点，汤姆生的儿子后来写道：“反对这种比原子还小的粒子客观存在的论调，还是不停地出现，但那只不过是旧物理概念间歇的垂死痉挛。”
电子的客观存在，被后来愈来愈多的事实完全证实了。这项重大发现，不仅使我们对原子结构有了进一步认识，而且还使我们弄清了电的性质。每秒钟在导体的某一截面上会有6.242×10-18个电子的定向流动，就是我们所知道的1安培的电流。
电子的发现及电子学的一系列成就，是现代文明的基础。天上的航天飞机、人造卫星，地上的电气列车、城市的电车，电灯、电视、电炉、收音机、雷达等，无一不是靠电子的工作。
电子的发现，直接证明了原子不是不可分割的物质最小单位。原子自身还有结构，电子就是原子家族中的第一个成员。
