Джеймс Джоуль экспериментально и теоретически изучал природу тепла и обнаружил её связь с механической работой, в результате пришёл к концепции всеобщего сохранения энергии, что, в свою очередь, обеспечило формулировку первого закона термодинамики.
Согласно закону сохранения энергии, механическая энергия замкнутой системы не возникает из ничего и не может исчезнуть в никуда.
В работах начала 1840-х годов исследовал вопрос экономической целесообразности электромагнитных двигателей, поначалу полагая, что электромагниты могут быть источником неограниченного количества механической работы, но вскоре убедился, что с практической точки зрения паровые машины того времени были эффективнее.
В 1850-е годы публикует большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции вольтметров, гальванометров, амперметров, обеспечивающие высокую точность измерений; в целом в течение всей научной практики Джоуль уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты.
В 1859 году исследует термодинамические свойства твёрдых тел, измеряя тепловой эффект при деформациях, и отмечает нестандартные в сравнении с другими материалами свойства каучука.
В 1860-е годы интересуется природными явления, предлагая возможные объяснения природы атмосферных гроз, миражей, метеоритов.
