24歲時，焦耳開始對通電導體放熱問題進行深入研究。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成一個電熱器。然后把電熱器放入一個玻璃瓶中，瓶中裝有已知質量的水，給電熱器通電并開始計時。他用鳥羽毛輕輕攪動水，從插在水中的溫度計觀察到水溫的變化。同時用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實驗做了一次又一次，大量數據使焦耳發現：電流通過導體時產生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。
焦耳定律數學表達式為：Q=I2Rt
式中，Q為電流通過導體時產生的熱量；I為電流；R為導體的電阻；t為通電時間。
焦耳把這一實驗規律寫成論文，并于1841年發表在英國《哲學雜志》上。然而，論文并沒有引起學術界的重視。一年后，俄國彼德堡科學院院士楞次也做了電與熱的實驗，并得到與焦耳完全一致的結果，焦耳的論文才得到重視，后來人們把這個定律叫作焦耳定律，也叫焦耳—楞次定律。
