Efectuou importantes estudos sobre o calor desenvolvido pela corrente eléctrica quando atravessa um condutor - efeito térmico da corrente eléctrica, mais conhecido por efeito Joule.

Em 1841, enunciou a lei que tem o seu nome - Lei de Joule (a quantidade de calor desenvolvida por unidade de tempo de passagem de uma corrente eléctrica num condutor é proporcional à resistência desse condutor e ao quadrado da intensidade da corrente).

Realizou também importantes experiências e pesquisas sobre a transformação de trabalho em calor. Determinou pela primeira vez, um valor para o equivalente mecânico do calor e, nos seus trabalhos experimentais, publicados em 1843, afirmava que ‘ sempre que se emprega uma força mecânica, obtém-se um equivalente exacto em calor’.

Em 1850 foi reconhecido pela comunidade científica e tornou-se membro da Royal Society.

Pelos seus trabalhos pioneiros em energia, foi designada por joule a unidade de energia do Sistema Internacional de Unidades.