Джеймс рано начал заниматься исследовательской работой, его первые чрезвычайно талантливые труды, посвященные законам электромагнетизма, датируются 1838-1840-ым годами.
Благодаря глубокому изучению магнетизма и воздействия электрического тока юноша изобрел свой первый электродвигатель, параллельно с этим он ставил эксперименты с применением термодинамики и электричества.
Уже в двадцатилетнем возрасте Джоуль заменил паровой двигатель на винокурне своего отца, поставив вместо него электрический - это изобретение позволило в разы сократить экономические издержки и сделать работу предприятия более эффективной.
Джоуль проводил нескончаемые тесты по физике, отыскивая совершенные методы измерения электрических токов, в конечном итоге его труды увенчались успехом.
В 1841-ом году Джеймс открыл закон, который впоследствии был назван именем ученого и описывал зависимость между силой тока и теплом в проводнике, кроме того, что закон произвел должное впечатление на ученых, он остался в веках и в настоящее время известен под названием Закона Джоуля — Ленца.