湯姆生和焦耳的相遇，是很富有戲劇性的。1845年在劍橋大學舉行的英國科學協會的會議，焦耳也參加了。他在會上還作了關於熱功當量的報告。但是那次開會，湯姆生沒有能夠同他結識。焦耳在1841年發現了電流通過導體發熱的定律，1843年又通過實驗測定了熱功當量，為建立能量轉換和守恒定律提供了重要的實驗根據，這在物理學上是個了不起的發現。但是，當時人們抱著成見，還不理解焦耳工作的意義，皇家學會也拒絕發表他的論文。
1847年，在牛津大學召開的英國科學協會的會上，焦耳再次宣講自己的理論。這位不屈不撓的實驗家，麵對懷疑和非難，堅定地聲稱各種形式的能都可以定量地互相轉化，比如機械能可以定量地轉化為熱能。當時，著名的熱力學家都認為這種轉化是不可能的。湯姆生也出席了這次會議，他起初打算等焦耳講完以後馬上站起來反駁，但是，聽完講演就完全明白了焦耳的學說裏包含著真理。會後，他同焦耳親切地交談起來，焦耳深深感到是遇見了知音。當時，焦耳是29歲，湯姆生才23歲。後來，他們成了莫逆之交。在焦耳的鼓勵下，湯姆生把注意力轉到熱力學研究方麵。結果，他的天才在電磁學領域裏沒有充分顯示出來，卻在熱力學的領域裏顯示出來了。第二年，他提出了絕對溫標。在熱力學的理論上，他也做出了相當大的貢獻。湯姆生還同焦耳合作，發現了著名的湯姆生—焦耳效應（被壓縮的氣體通過窄孔，進入大容器以後，就膨脹降溫）。這個效應，為近代低溫工程奠定了重要基礎。
湯姆生結識焦耳以後，就把大部分精力放到了熱力學的研究上。轉眼之間，幾年過去了。在這幾年裏，他在格拉斯哥大學創建了英國第一所物理實驗室，吸引了不少學生。後來，這所實驗室成了他的基地。同時，他的家庭生活也發生了很大變化。1849年，他父親患病去世了。這位教授在世的時候對兒子要求很嚴格，親眼看見愛子成器，臨死的時候內心是滿意的。老湯姆生對英國教育也有貢獻。在他去世以後，蘇格蘭的學校仍舊采用他編的老教科書。據說，他編的有些教科書再版了將近100次。父親去世3年以後，湯姆生成了家。妻子體弱多病，湯姆生一直對她體貼入微，細心照料，花了不少時間。
1853年，29歲的湯姆生在熱力學研究方麵取得了成就以後，才回過頭來再一次對電磁學進行探索性的研究。他用很精確的實驗，證明了萊頓瓶放電具有振蕩性質。實際上這是發現電磁波的前兆，真理就在眼前，隻不過湯姆生沒有充分意識到這一點罷了。湯姆生還用數學方法推導出電振蕩過程的方程和振蕩頻率的公式。
同年，他發表了《瞬間電流》這篇論文。這不但是湯姆生一生中最出色的一篇論文，而且也是電磁學史上光采奪目的篇章。在這篇論文裏，他指出帶電體的放電有兩種，一種是連續放電，一種是振蕩放電。如果是振蕩放電，就會形成這樣一種情況：“主要導體最先失去它的電荷，然後得到比起初稍小而正負相反的電荷，這樣循環下去一直到無限，而後達到平衡。”
他還認為，如果放電頻率太高（電火花爆發太快），肉眼不能判斷，就可以用惠斯登的“轉鏡法”來觀測（6年以後，另一位科學家證實了這點）。但是，湯姆生沒有繼續研究下去。第二年，他收到劍橋大學年輕的畢業生麥克斯韋向他求教怎樣研究電磁的來信。湯姆生毫無保留地把自己研究的成果告訴了他。後來，麥克斯韋沿著湯姆生開辟的道路一直走下去，終於完成了湯姆生沒有完成的事業。
湯姆生為什麼沒有堅持到底，有種種原因。最主要的，是當時有項舉世矚目的工程——鋪設第一條大西洋海底電纜，把他吸引住了。湯姆生不是法拉第那樣的實驗科學家，由於各人的經曆、性格、受到的教育和所處的環境不同，因此，他身上更多地具有工程師的氣質，對於實際的應用工程更有興趣。這種傾向，在他30歲以後更加明顯。他的“三十而立”，可以說完全立在工程界了，盡管他一直是格拉斯哥大學的教授。
從莫爾斯發明電報以後，不到20年，電報這種新型通信方式已經在世界上流行起來。當時無線電還沒有發明，莫爾斯電報隻能進行有線傳送，隻能在陸地上使用，稱做陸地電報。隨著資本主義的發展，英國和歐洲大陸以及歐美兩地之間傳統的利用郵船通信的方式，已經遠遠不能滿足需要，於是製造和鋪設誨底電纜成了最迫切的任務。1850年，在英法之間的多佛爾海峽鋪設了最早的海底電纜，但是，它比較短。要製造和鋪設幾千公裏長的海底電纜，工程就艱巨多了，因為有很多理論上和技術上的問題需要解決。
1854年，也就是湯姆生發表《瞬間電流》的第二年，一個叫克拉克的科技人員發現了信號延遲現象，也就是信號通過海底電纜的時候，收報比發報要滯後一定時間。他不能解釋這種現象。
湯姆生知道這件事情以後，懷著極大的興趣進行了研究。他意識到這個問題是鋪設長距離海底電纜成敗的關鍵。因為電纜越長，信號延遲時間越長，而且衰減和失真（從脈衝波變成鍾形波）也就越厲害，甚至會不能正常傳遞電報。經過整整一年的係統研究，湯姆生提出了關於海底電纜信號傳遞衰減的理論，解決了鋪設長距離海底電纜的重大理論問題。這使他在還沒有肩負鋪設大西洋海底電纜重任以前，就已經成了這個工程的奠基人。那時，他剛31歲。一個有趣的巧合是，後來麥克斯韋提出電磁理論是31歲，赫茲（1857～1894）證實電磁波的存在也是31歲。
1855年，湯姆生發表了信號傳輸理論的論文。它係統地分析了海底電纜信號的衰減原因，並且指出，由於海水是導體，包著絕緣層的海底電纜同海水組成了一個電容器，這就使信號傳遞有個充放電的過渡過程。如果增大銅線截麵麵積來減小電阻，加厚絕緣層來減小分布電容，而且使用小電流，就能夠使信號的延滯降低到最小限度。這個理論成了後來設計海底電纜通信工程的重要理論根據。
1856年，大西洋海底電纜公司正式組成，資本總額是35萬英磅。按照公司章程的規定，公司董事由各個地區的股東選定，在股東還沒有分到10％的紅利以前，董事沒有薪金。蘇格蘭的股東選聘湯姆生當董事，湯姆生高興地同意了。一個人把工作當成了事業，他是不會計較報酬的。青年電學家盼望的是把自己的理論拿到實際中去應用，在第一條大西洋海底電纜的工程中顯示威力。到1866年4月，曆經種種艱難險阻，在第四次沉放大西祥海底電纜時，終於大獲成功，全部工程整整進行了10年。