1847年，开尔文报告了他第一次发现的温度下限，进而定义了绝对零度并引进了热力学温标。1851-1854年间，他解释并论证了热力学中的两条重要定律：焦耳的热平衡定律和卡诺-克劳修斯的热转换定律。他在电学的数学分析方面有重要贡献，同时也是一位出色的工程师。
许多理工科学者和学生都知道“一位智者”和“两朵乌云”的故事。这两个故事分别发生在十九世纪之初和之末。由伽利略和牛顿等科学家于十七世纪创立的经典物理学，经过了十八世纪的充实和拓展，到十九世纪初趋于成熟并逐步形成了一个包括力、热、声、光、电、磁等学科的完整理论体系。
1814年，数学家拉普拉斯在他的名著《关于概率的哲学论文》中谈及“一位智者”：“我们可以将当前的宇宙状态视为过去留下的结果和未来发生的原因。一位智者在某个时刻便会知道使自然运动的所有力以及组成自然的所有物体的所有位置。如果该智者有足够的睿智将这些数据加以分析，他就可以把宇宙中最大物体和最小原子的运动全部包含在一个公式中。对于这位智者来说，没有什么是不确定的：就像过去一样，未来也将呈现在他的眼前。”
1900年4月27日，物理学家开尔文勋爵威廉·汤姆森在英国皇家学会题为“遮盖热和光的动力学理论的十九世纪乌云”演讲中说：“把热和光解释为运动形态的动力学理论是如此之清晰美丽，最近却被两朵乌云笼罩着。第一朵由菲涅耳和托马斯·杨关于光的波动理论引出，问题是地球如何在本质上是光以太这样的弹性固体中穿行？第二朵则是关于能量均分的波尔兹曼-麦克斯韦学说。”
开尔文指的是当时经典物理学无法解释的两个实验：以太漂移实验和热辐射实验。第一个实验是1887年由迈克尔逊和莫雷在美国用干涉仪测量互相垂直的两束光时，发现光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的。他们作出了“以太漂移速度为零”的结论，由此否认了绝对静止参考坐标和以太的存在。第二个实验是基尔霍夫和普朗克等人总结出来的定律：温度在绝对零度以上的任何物体都会有热辐射，为此它需要从外界吸收辐射的能量。
这两个实验结果与当时经典物理学中相关的理论和公式都不相符合。
1851年，27岁的开尔文当选为英国皇家学会院士和瑞典皇家科学院外籍院士。开尔文在电学的数学分析方面有重要贡献。1849年，他推导出了两个带电球体之间吸引力的解析解，成果于1853年发表在《Philosophical Magazine》。
该杂志1798年创刊，是最早的科学期刊之一，当年法拉第、焦耳、麦克斯韦等物理学家都在那里发表过奠基性的论文。这段时间里，开尔文还研究了静电和静磁的测量方法及基础理论，探讨了莱顿瓶放电振荡现象，并引进了计算电磁场的镜像法。
1856年，开尔文获皇家学会颁发皇家奖章，该奖章每年颁授给英国两位分别作出“最重要的自然知识贡献”和“应用科学杰出贡献”的个人。开尔文还是一位出色的工程师。
他最有名的一项工作是研究并成功铺设了用于有线电报的越洋海底电缆。1851年世界上有了第一条海底电缆，由大西洋电报公司电器总工程师Edward Whitehouse指挥建造，装设在英国与法国之间海峡深水底下。可是，由于电缆太长，信号衰减十分严重以至不可使用。1855年，开尔文研究了电缆中的信号传播，得出了信号传播速度减慢与电缆长度平方成正比的定律。
1892年，为表彰他在电缆工程和电报技术方面的卓越成就和科学贡献，维多利亚女王亲自加冕他为第一代开尔文男爵，即开尔文勋爵。1860年冬，开尔文在冰上行走时不小心滑倒，导致腿部严重骨折，自此一生跛行。1861年，英国科学协会根据开尔文的建议设立了一个电学标准委员会，为一些电学单位制定统一标准。
多年以后，在1893年芝加哥召开的国际电学大会上，开尔文提出了采用伏特、安培、法拉和欧姆等作為电学的基本单位。这些国际标准获得通过并被沿用至今。
1896年，在格拉斯哥大学庆贺他从教50周年的座谈会上，开尔文致辞说：“如果要用一个词来代表我55年来坚持不懈地为科学发展所做出最艰难的努力，这个词就是‘失败’。
今天我对电磁力或以太、对电与未知物之间的关系，以及对化学亲和性的了解，并不比我50年前第一次担任教授时尝试向我的自然科学专业学生传授的知识更多……伤感的部分原因是失败带来的。但是，在追求科学的过程中我们本来就需要付出努力。这会使科学家乐在其中而免于陷入完全的悲哀，甚至会令他在日常工作中感到颇为愉快。”
1907年11月，开尔文得了一场重感冒，随后健康状况急速恶化。12月17日，他逝世于苏格兰Ayrshire郡的家中，享年83岁。开尔文去世后被安置在伦敦西敏寺内的牛顿墓旁。纪念他的塑像矗立在格拉斯哥大墓地Thomson家族区域内，供后人景仰。