De 1898 a 1907 é professor de física da Universidade McGill, em Montreal, no Canadá. Revela o fenômeno da radioatividade com base em pesquisas com o tório, feitas em colaboração com o químico Fredericky Soddy, da universidade.
Em 1902, ambos conseguem provar que a radioatividade é um fenômeno que resulta da desintegração espontânea de elementos químicos dos átomos em outros completamente distintos e também radioativos. Apesar de ser um físico, recebe o Prêmio Nobel de Química em 1908, pelas pesquisas sobre a radioatividade.
De volta a Cambridge em 1919, desenvolve a moderna concepção do átomo como um núcleo em torno do qual elétrons giram em órbitas elípticas. No mesmo ano, realiza a primeira transmutação induzida, também conhecida como reação nuclear: bombardeia com partículas alfa um núcleo de nitrogênio e o transforma em oxigênio.
Suas experiências levam à descoberta dos meios para a obtenção de energia nuclear. Em 1931 é agraciado com o título de lorde de Nelson pela Coroa britânica. Morre em Cambridge.