1840年，他的第一篇重要的论文被送到英国皇家学会，当中指出电导体所发出的热量与电流强度、导体电阻和通电时间的关系，即焦耳定律。本来准备让皇家学会大吃一惊的，可后来发现自己被仅仅当作乡下的业余爱好者。

当斯特金在1840年搬到曼彻斯特后，他和焦耳成为了这个城市知识分子的核心。他俩同感，科学和神学应该并且可能整合在一起。焦耳开始在斯特金的皇家维多利亚实践科学讲座（Royal Victoria Gallery of Practical Science）上开办讲座。

他后来认识到，在蒸汽机烧1磅煤所产生的热量是在革若夫电池（英语：Grove cell）（一种早期的电池）里消耗1磅锌所发出热量的5倍。焦耳对“经济负荷”（economical duty）的通常标准是，将1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英语：Foot-pound (energy)）。

焦耳被弗朗兹·艾皮努斯（Franz Aepinus）的想法所影响，试图用被“振动形态的热质以太（calorific ether in a state of vibration）”所环绕的原子来解释电学和磁。

然而焦耳的兴趣从有关可以从给定来源提取多少功这样的狭隘的经济问题开始转向，最终到思考能量的可转换性。

焦耳提出能量守恒与转化定律：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变，奠定了热力学第一定律（能量不灭原理）之基础。

1883年他发表了一些实验结果，显示他在1841年所定量化的热效应是因为导体本身的发热，而不是从装置其他部分传来的热量。这个结论对当时的热质说是一个直接的挑战。热质说认为，热量既不能被创造，也不能被销毁。自从被拉瓦锡在1783年提出后，热质说一直是热学领域的主导性的理论。拉瓦锡的影响力再加上尼古拉·卡诺自1824年提出的关于热机的热质理论在实践中的成功，使得既不在学术界又不在工程界的年轻的焦耳看起来前途坎坷。热质说的支持者准备指出，热电效应的对称性说明热能和电能是（至少大约）可以被一个可逆过程所相互转化的。

1837年，焦耳装成了用电池驱动的电磁机，并发表了关于这方面的论文而引起人们的注意。

1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温。12月焦耳在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的定律。由于不久之后，俄国物理学家楞次也独立发现了同样的定律，该定律也称为焦耳-楞次定律。

1843年，焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上，用电流计测量感生电流，把线圈放在装水的容器中，测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的，没有外界电源供电，水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果，整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。

1843年8月21日，在英国学术会上，焦耳宣读了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。

1844年，焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化，他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究，焦耳计算出了气体分子的热运动速度值，从理论上奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础，并解释了气体对器壁压力的实质。

1852年，他们发现当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要下降。这一现象后来被称为焦耳-汤姆逊效应。这个效应在低温和气体液化方面有广泛的应用。焦耳对蒸汽机的发展也做出了不少有价值的工作。

1847年，焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验：他在量热器里装了水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由于叶片和水的磨擦，水和量热器都变热了。

根据重物下落的高度，可以算出转化的机械功；根据量热器内水的升高的温度，就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验，测得了热功当量的平均值为423.9千克米/千卡。接着又用水银来代替水，不断改进实验方法，直到1878年。这时距他开始进行这一工作将近四十年了，他前后用各种方法进行了四百多次的实验。

当焦耳在1847年的英国科学学会的会议上再次公布自己的研究成果时，他还是没有得到支持，很多科学家都怀疑他的结论，认为各种形式的能之间的转化是不可能的。直到1850年，其他一些科学家用不同的方法获得了能量守恒定律和能量转化定律，他们的结论和焦耳相同，这时焦耳的工作才得到承认。

1850年，焦耳凭借他在物理学上作出的重要贡献成为英国皇家学会会员，当时他32岁，两年后他接受了皇家勋章。许多外国科学院也给予他很高的荣誉。虽然焦耳不停地进行着他的实验测量工作，遗憾的是，他的科学创造性，特别是在物理概念方面的创造性，过早地就减少了。

1875年，英国科学协会委托他更精确地测量热功当量。他得到的结果是4.15，非常接近1卡=4.184焦耳。

1875年，焦耳的经济状况大不如前。这位曾经富有过但却没有一定职位的人发现自己在经济上处于困境，幸而他的朋友帮他弄到一笔每年200英镑的养老金，使他得以维持中等舒适的生活。五十五岁时，他的健康状况恶化，研究工作减慢了。

1878年，当焦耳六十岁时，他发表了最后一篇论文。

1889年10月11日，焦耳在索福特逝世，享年71岁。

1840年12月，他在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的定律；由于不久俄国物理学家海因里希·楞次也独立地发现了同样的定律，而被称为焦耳-楞次定律。

用公式表示如下：Q=I^2*Rt(J)

I=通过导体的电流，单位（安培）：A

R=导体的有效电阻，单位（欧姆）：Ω

t=通电时间，单位（秒）：s

焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。这方面研究工作的第一篇论文《关于电磁的热效应和热的功值》，是在1843年英国《哲学杂志》第23卷第3辑上发表的。此后，他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同，结果都相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近于一定的数值。

最后他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会《哲学学报》1850年第140卷上，其中阐明：

第一，不论固体或液体，摩擦所产生的热量，总是与所耗的力的大小成比例。

第二，要产生使1磅水（在真空中称量，其温度在50～60华氏度之间）增加1华氏度的热量，需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功。

他精益求精，直到1878年还有测量结果的报告。

他近40年的研究工作，为热运动与其他运动的相互转换、运动守恒等问题，提供了无可置疑的证据，焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一。

图册图片来源：

1852年焦耳和w.汤姆孙（即开尔文）发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为焦耳-汤姆孙效应。这效应在低温和气体液化方面有广泛应用。他对蒸汽机的发展作了不少有价值的工作。

最初对焦耳的工作的一些反对是因为他的工作依赖于极端精确的测量。他声称可以将温度的测量精确到1⁄200℉（3mK）以内。这个精度在当时的实验物理领域是很不寻常的。不过焦耳的怀疑者可能忘了焦耳在酿酒方面的经历。而且他还得到测量仪器制作家约翰·本杰明·丹瑟（John Benjamin Dancer）的大力支持。

德国的赫尔曼·亥姆霍兹却开始熟悉焦耳的工作以及尤利乌斯·罗伯特·冯·迈尔在1842的类似研究。虽然这两人在各自发表了自己的工作后都被一直忽视，但亥姆霍兹在1847年结论性的宣布能量守恒定律时承认了他俩的贡献。

此外在1847年英国协会于牛津的会议上，焦耳也做了一个报告，当时的听众中有乔治·斯托克斯、迈克尔·法拉第以及超前且独立特行的威廉·汤姆森，也就是后来的开尔文男爵。开尔文当时已经被聘为格拉斯哥大学的自然哲学教授。斯托克斯是“倾向成为一个焦耳（inclined to be a Joulite）”，法拉第虽然心存怀疑但还是“被焦耳的理论所震惊（much struck with it）”。开尔文被迷住了但还是有所怀疑。

这一年的晚些时候，开尔文与焦耳又在霞慕尼不期而遇。焦耳当时刚和阿米莉娅·葛莱姆丝（Amelia Grimes）在8月18日结婚后来到此地度蜜月。尽管焦耳还在婚礼的热情中，他还是和开尔文安排了几日后去测量色朗契斯（Sallanches）瀑布顶部和底部的温度差。焦耳认为瀑布冲下时的能量改变，会稍微增加水的热量与温度。但是在大自然下，还有许多其他的因素会影响水温，所以他们没有收获。

虽然开尔文觉得焦耳的结果需要理论的解释，但他还后退并为卡诺-克拉佩龙学派辩护。当开尔文在1848年报导绝对温度时，他写到，“热量（或者卡路里）转化为机械能的效应不太可能且肯定无法证实。”但是在他的一个脚注里暗示了他的最初的对热质说的怀疑，他参考了焦耳的“非常让人印象深刻的发现”。当焦耳读到开尔文的一篇文章后写信给他，声称自己的实验已经显示了热量向功的转化，但还是在准备做更进一步的实验。让人吃惊的是，开尔文没有回寄给焦耳他自己文章的拷贝。开尔文在回信中提到，他正在准备自己的实验，并且希望能调和两人的观点。虽然开尔文在之后的两年里并没有进行新的实验，但他越来越不满卡诺的理论，转而相信焦耳的观点。在1851的文章里，开尔文愿意做一个折中，承认“整个热的动能理论是基于……两个……前提，分别是焦耳和卡诺-克拉佩龙的理论（the whole theory of the motive power of heat is founded on ... two ... propositions, due respectively to Joule, and to Carnot and Clausius）”。

当焦耳一读到这篇文章，他马上写信给开尔文谈了他的评论和问题。随后俩人通过大量的通信开始了富有成果的合作。焦耳进行实验，开尔文分析实验结果并建议进一步的实验。这个合作从1852年持续到1856年，他们的成果中包括有焦耳-汤姆孙效应。关于这个成果的发表论文使得焦耳的研究和分子运动论被人们广泛接受。

动力学是有关运动的科学。焦耳是道尔顿的学生，所以不奇怪他深深信任原子理论，而尽管同时代的许多科学家还在怀疑该理论。他也是少数能够接受当时还在被忽视的约翰·赫帕斯的气体的动力学理论的人之一。他后来深深的被彼得·爱华德（Peter Ewart）在1813年的一篇文章“论动力的测量（On the measure of moving force）”所影响。

焦耳察觉到了他的发现和热动力学理论之间的关系。他的实验笔记表明，他相信热是旋转运动而不是平移运动的一种形式。

焦耳无法抗拒在弗兰西斯·培根、艾萨克·牛顿爵士、约翰·洛克、伦福德伯爵和汉弗里·戴维爵士等前人那找到自己观点的前例。虽然这些观点都是有道理的，但焦耳还是根据伦福德发表的文章估计出一个热功当量值，1034ft·lbf/Btu。一些现代作者已经从根本上批判了这个方法，认为伦福德的实验无法代表着系统的定量测量。在焦耳的一篇个人笔记中，他断言迈尔的测量并不比伦福德的更精确，可能希望迈尔没有参加过他自己的工作。焦耳对解释绿闪光现象也有所贡献，他在1869年给曼彻斯特文学与哲学学会的一封信中提到这个现象。

1850年焦耳当选为英国皇家学会会员。

1889年10月11日，焦耳在塞尔的家中逝世，被安葬在该市的布鲁克兰（英语：Brooklands, Trafford）公墓。在他的墓碑上刻有数字“772.55”，这是他在1878年的关键测量中得到的热功当量值。墓碑上还刻有约翰福音的一段话，“趁着白日，我们必须做那差我来者的工；黑夜将到，就没有人能做工了。”位于索尔的威瑟斯本酒馆改为以他的名字命名。

无论是在实验方面，还是在理论上，焦耳都是从分子动力学的立场出发，进行深入研究的先驱者之一。在从事这些研究的同时，焦耳并没有间断对热功当量的测量。

在去世前两年，焦耳对他的弟弟的说：“我一生只做了两三件事，没有什么值得炫耀的。”相信对于大多数物理学家，他们只要能够做到这些小事中的一件也就会很满意了。焦耳的谦虚是非常真诚的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂为他建造了纪念碑，并以他的名字命名能量单位，他将会感到惊奇，虽然后人决不会感到惊奇。

十八世纪，人们对热的本质的研究走上了一条弯路：“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑，但人们一直没有办法解决热和功的关系的问题；是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳为最终解决这一问题指出了道路。