Inicià les seves investigacions al costat de Joseph John Thomson
al Laboratori Cavendish, on treballà en la identificació dels isòtops del neó i va investigar les descàrregues elèctriques en tubs de baixa pressió. Després de la Primera Guerra Mundial va inventar un espectrògraf de masses que li va permetre descobrir i identificar, a causa de les diferències de massa, no menys de 212 dels 287 isòtops naturals en elements no radioactius.
El 1922 va ser guardonat amb el Premi Nobel de Químicapel descobriment d'un gran nombre d'isòtops no radioactius mitjançant un espectògraf de masses.