S'educà a Birmingham i a Cambridge, on treballà amb Joseph John Thomson sobre les descàrregues elèctriques en tubs a baixes pressions. El 1920 fou fellow del Trinity College a Cambridge, el 1921 de la Royal Society, i el 1935 chairman de l’International Commitee on Atoms. El 1919, dins les seves investigacions fonamentals sobre els isòtops, inventà l’espectrògraf de masses que porta el seu nom i que permet la separació dels isòtops i la determinació de llurs masses amb l’aproximació d’una mil·lèsima. Les seves publicacions més importants són The Isotopes (1922) i Mass-spectra and Isotopes (1933). Aquests treballs li valgueren el premi Nobel de química del 1922.