Ученик Э. Резерфорда. Окончил Манчестерский и Кембриджский университеты.
В 1923—1935 гг. преподавал в Кембриджском университете и был заместителем директора Кавендишской лаборатории.
В 1935—1948 гг. профессор Ливерпульского университета.
С 1948 года директор колледжа Гонвилл и Киз Кембриджского университета.
Основные труды по физике атомного ядра.
Первые работы посвящены радиоактивности.
В 1920 году экспериментально подтвердил равенство заряда ядра порядковому номеру элемента.
Изучал искусственное превращение элементов под действием альфа-частиц (совместно с Резерфордом).
Большой заслугой Чедвика является открытие им в 1932 году нейтрона при облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц (Нобелевская премия, 1935).
В 1934—1935 гг. совместно с сотрудником М. Гольдхабером поставил опыты по фотодиссоциации дейтрона на нейтрон и протон под действием гамма-квантов.
В 1943—1945 гг. возглавлял группу английских учёных, работавших в Лос-Аламосской лаборатории (США) над проектом атомной бомбы.