Kelvin est surtout connu pour son travail sur la théorie électromagnétique, notamment ses contributions aux lois de la thermodynamique et à l'unification des mesures de longueur, de masse et de température dans un système logarithmique unique appelé le système CGS.
En 1846, il a proposé le principe de la propagation transversale des ondes électromagnétiques, un an avant que Maxwell ne présente son fameux équations de l'électromagnétisme. Il a également fourni les premières preuves expérimentales de la conservation de l'énergie dans une démonstration remarquable concernant la température du mélange d'un corps chaud et d'un corps froid.
Kelvin est devenu un membre étranger de la Royal Society en 1851, puis un membre à part entière en 1863, avant d'être nommé Lord Kelvin après avoir reçu une pairie en 1892. Il a également été président de la Royal Society de 1890 à 1895.
En 1867, il a proposé la loi du rayonnement de cosecant, qui décrit la distribution de l'énergie dans le spectre électromagnétique d'un corps parfaitement noir en fonction de sa température. Cette loi est considérée comme une précurseur des lois de Planck et de Stefan-Boltzmann, qui ont poursuivi la théorie de la thermodynamique quantique.
Kelvin a reçu de nombreuses récompenses pour son travail, dont la médaille Copley de la Royal Society, la Médaille d'or de la Royal Astronomical Society et la Médaille Hughes de la Royal Society of London. En 1903, il a été le premier scientifique à recevoir la moitié du Prix Nobel pour la physique, partagé avec Henri Becquerel pour leurs travaux sur la radioactivité.
Kelvin est décédé en décembre 1907 à Douvres après une courte maladie. Ses contributions ont été essentielles dans plusieurs domaines de la science et de l'ingénierie, notamment les télégraphes électriques, les machines à vapeur maritimes et les technologies d'éclairage électrique. Son nom est également associé au Kelvin-Helmholtz instabilité, un phénomène météorologique courant dans la stratosphère, et à l'échelle de temps Kelvin, utilisée en physique pour représenter les durées très courtes.