Джеймс Чедвик родился 20 октября 1891 года в Боллингтоне, вблизи Манчестера. Он был старшим из четырех детей в семье владельца прачечной.
Окончив местную начальную и манчестерскую муниципальную среднюю школу в 1908 году, Чедвик поступил в Манчестерский университет, собираясь изучать математику. По недоразумению с ним провели собеседование по физике. Слишком скромный, чтобы указать на ошибку, он решил сменить специализацию. Через три года он окончил университет с отличием по физике.
В 1932 году, работая в исследовательском институте в Кембридже, Чедвик сделал фундаментальное открытие в области ядерной физики. Он обнаружил доселе неизвестную частицу в ядре атома, которая стала известна как нейтрон. Такое название частица получила из-за отсутствия какого-либо электрического заряда.
Мысль о существовании этой элементарной частицы пришла в голову Чедвику ещё в годы его ученичества, когда он работал с Резерфордом. Вместе они выяснили, что атом в целом нейтрален, потому что заряд протонов в ядре совпадает с зарядом электронов. Но это совершенно не объясняло массы ядер, которая значительно превышала массу протонов, которые должны были в нем находиться. Единственным исключением был атом водорода.
В 1921 году Чедвик стал доктором физических наук и получил место в ученом совете Гонвилл-энд-Кайус-колледжа. Всё это время он занимался изучением распада легких ядер под воздействием бомбардировки альфа-частицами. Мысль о нейтральной частице, тем не менее, не оставляла его и он искал способ доказать её существование.
А в 1930 году немецкие ученые заметили, что при бомбардировке бериллия альфа-частицами он испускает особое излучение, обладающее повышенной проникающей силой. Чедвик предположил, что это и есть поток нейтральных частиц. Позже рядом опытов он подтвердил свою гипотезу.
Открытие нейтрона, нейтральной частицы, которая не отталкивалась от положительного ядра и могла выбивать из него протоны, было первым шагом к расщеплению ядра урана. За важное открытие Чедвик был награжден Нобелевской премией в 1935 году.
Получив дворянское звание в 1945 году, он являлся обладателем почетных степеней 9 британских университетов и был членом многих научных обществ и академий в Европе и Соединенных Штатах.
Джеймс Чедвик скончался 24 июля 1974 года в Кембридже.