英国杰出的实验物理学家，1818年12月24日生于曼彻斯特附近的索尔福德。父亲是个啤酒厂厂主，生活富裕，但从小体弱多病，没有正规上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。
当时的曼彻斯特有两大特点：一是“高度科技化”，二是巨大的科技威望。自1793年后，道尔顿一直在曼彻斯特从事教学和科研活动，以后他的原子论享誉英国和整个欧洲。
1834年起，16岁的焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会的道尔顿的门下学习。 焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何。后来道尔顿因中风而退休。但是跟随道尔顿的这段经历，激发了焦耳对科学的兴趣和探索自然的愿望，影响了焦耳的一生。焦耳后来又受约翰·戴维斯指导。焦耳兄弟俩对电学非常着迷，曾经实验过相互电击，还拿家里的仆人们做过实验。
三年以后，19岁的焦耳毕业开始参加经营自家的啤酒厂。直到1854年卖出啤酒厂，他在经营上都一直很活跃很成功，科学开始只是焦耳的一个爱好。
1831年，法拉第发现电磁感应现象，发明了电动机。人们当时认为，电机可能代替蒸汽机，所以研究提高电机效率的热潮席卷欧洲。所以焦耳开始研究用新发明的电动机来替换啤酒厂的蒸汽机的可行性。
在研究电机的过程中，焦耳注意到电机和电路中的发热现象，这促使他对电流的热效应进行了定量研究。通过实验，焦耳于1840年发现:“产生的热量与导体电阻和电流平方成正比”（即焦耳定律）并发表于《论伏打电所产生的热》论文中。
1843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，写了两篇关键性论文《论磁电的热效应和热的机械值》和《论水电解时产生的热》，明确指出：“自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式
。”
焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流，线圈放在量热器内，证实了热可以由磁电机产生。从这个实验焦耳立即领悟到热和机械功可以互相转化，在转化过程中遵从一定的当量关系。
为了测定机械功和热之间的转换关系，焦耳设计了“热功当量实验仪”，焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条线，跨过两个定滑轮后挂上几磅重的砝码，由砝码的重量和下落的距离计算出所做的功。测得热功当量为428.9千克力米/千卡。1844年又做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验，测出了热功当量分别为424.9千克力米/千卡和443.8千克力米/千卡。
1849年发表《论热功当量》。
1850年焦耳当选为英国皇家学会会员。
1866年被授予英国皇家学会 柯普莱 金质奖章。
1872年—1887年任英国科学促进协会主席。
1878年发表《热功当量的新测定》，最后得到的数值为423.85千克·米/千卡。
至此，焦耳先后采用不同的方法做了400多次实验。以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明。
1889年10月11日焦耳在 塞拉 逝世
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