Narodil se v irském Belfastu 26. června 1824 v rodině skotského emigranta. Matka mu zemřela, když mu bylo šest let. V roce 1832 se William odstěhoval se svým otcem a pěti sourozenci do Glasgowa, s jehož univerzitou byl pak spojen celý svůj dlouhý život a kterou začal navštěvovat ve svých deseti letech. William projevoval zájmy o přírodovědné i klasické předměty, zejména matematiku. V roce 1839, ve svých patnácti letech, získal cenu z astronomie a byl oceněn medailí za Esej o tvaru Země, v níž předvedl nadání pro matematickou analýzu a tvořivost.
William pokračoval ve studiu na univerzitě v Cambridgi, které ukončil v roce 1845, poté absolvoval pětiměsíční postgraduální studium v pařížské laboratoři pro přesná měření fyzikálních konstant.
Vrátil se na univerzitu do Glasgowa a jeho kariéra měla strmý vzestup, v roce 1846, ač teprve dvaadvacetiletý, byl jmenován profesorem a vedoucím katedry přírodní filozofie a zůstal jí věrný po celý svůj život.
První a druhý termodynamický zákon
Hluboce se zabýval termodynamikou, navrhl absolutní teplotní stupnici nezávislou na fyzikálních vlastnostech látek.
Pokládání transatlantického kabelu
Když v 50. letech 19. století vznikl projekt spojení Evropy s Amerikou kabelovým vedením, byl William Thomson pověřen vědeckou garancí tohoto tehdy ambiciózního úkolu. Pro telegrafní spojení obou kontinentů Thomson navrhl veškeré přístrojové vybavení. V roce 1867 vynalezl přístroj pro samočinné zapisování telegrafních značek. Po svém odchodu do důchodu konstruoval přístroje pro námořní navigaci, např. různé kompasy, echolot, mareograf. Nechával je patentovat a patenty prodával. S Thomsonovým jménem je spojen např. kvadrantový elektrometr, elektrostatická váha, elektrostatický voltmetr, zrcátkový galvanoměr, dvojitý můstek pro měření malých odporů.
Osobní život
Thomson byl nesmírně pracovitý, energický a schopný dobře prodat svůj talent. Byl aktivním sportovcem, miloval vodní sporty, zejména veslování, se svou jachtou podnikal dlouhé plavby po moři. Stejně tak miloval i vážnou hudbu.
Byl autorem 18 knih, 661 vědeckých článků a získal 70 patentů. Po úspěšném vybudování telegrafního spojení obou kontinentů jej v roce 1866 povýšila královna Viktorie do rytířského stavu. Na návrh manželky přijal za své jméno název půvabné říčky Kelvin, která se vine kolem Glasgowské univerzity, Largs je název místa ve Skotsku, kde měl své venkovské sídlo.
V osmadvaceti letech se oženil, jeho žena Margareta však v roce 1870 zemřela. O čtyři léta později se znovu oženil s Francis-Annou. Vybudoval si venkovské sídlo Netherhall v Largsu nedaleko Glasgowa, kde prožil poslední roky svého života. Obě jeho manželství byla bezdětná.
William Thomson zemřel 17. prosince 1907 ve svém sídle Netherhall. Byl pochován s nejvyššími poctami ve Westminsterském opatství v Londýně, vedle Newtona, Younga a Darvina, jejichž dílo přežije věky.