En 1895, sus padres se mudaron a Mánchester, dejándolo al cuidado de sus abuelos maternos.

En cambio, asistió a la Escuela secundaria central para niños en Mánchester, donde se reunió con sus padres.

Eligió estudiar la radiación beta en el Physikalisch Technische Reichsanstalt en Charlottenburg, Alemania, a cargo de Hans Geiger.

Utilizando el contador Geiger desarrollado recientemente por Geiger, Chadwick pudo demostrar que la radiación beta producía un espectro continuo, y no líneas discretas como se había pensado.

En 1932, Chadwick realizó un descubrimiento fundamental en el campo de la física nuclear: descubrió la partícula en el núcleo del átomo que pasaría a llamarse neutrón,[6]​ partícula que no tiene carga eléctrica.

Pudo persuadir a la universidad para que proporcionara £ 2.000 y obtuvo una subvención por otras £ 2.000 de la Royal Society.

Para construir su ciclotrón, Chadwick contrató a dos jóvenes expertos, Bernard Kinsey y Harold Walke, que habían trabajado con Lawrence en la Universidad de California.

[20]​ Como resultado del memorándum Frisch-Peierls en 1940 sobre la factibilidad de la bomba atómica[21]​ fue incorporado al Comité MAUD británico,[22]​ que investigaba la cuestión.

Más tarde, James Chadwick escribiría: Poco después se unió al Proyecto Manhattan en los Estados Unidos, que desarrolló la bomba atómica en 1945.