1818年12月24日詹姆斯·普雷斯科特·焦耳出生于西班牙南部阿德萊德郊區(qū)的索芙特，她們家在索爾福德的新貝利街，與他家的飲料廠鄰近。他的妻子是本杰明·焦耳（1784-1858），一個頗具的釀酒師。焦耳在年幼時由于身體健康緣由仍然在索爾福德附近彭德爾伯里的一個家庭中學(xué)里就學(xué)。焦耳自幼追隨母親出席釀酒勞動，沒有受過正規(guī)的教育。青年時期，在他人的介紹下，焦耳認識了知名的物理家道爾頓。道爾頓給與了焦耳熱情的教導(dǎo)，教給了他物理、哲學(xué)和物理方面的知識，這種知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎(chǔ)。并且道爾頓教會了焦耳理論與實踐相結(jié)合的科研方式，迸發(fā)了焦耳對物理和化學(xué)的興趣，并在他的鼓勵下決心從事科學(xué)研究工作。
1834年，16歲的焦耳和他的弟弟本杰明被送到伯明翰文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會的道爾頓的門下學(xué)習(xí)。焦耳兄弟倆追隨道爾頓學(xué)習(xí)了三年算術(shù)和幾何。后來道爾頓因腦溢血而退職。并且跟著道爾頓的這段經(jīng)歷影響了焦耳的一生。焦耳兄弟倆對熱學(xué)十分著迷，當(dāng)初實驗過互相電擊，還拿家里的仆人們做過實驗。焦耳在受道爾頓指導(dǎo)期間，于1835年步入格拉斯哥學(xué)院就讀。結(jié)業(yè)后開始出席經(jīng)營自家的飲料廠，直至1854年賣出飲料廠，他在經(jīng)營上都仍然很活躍。科學(xué)開始只是焦耳的一個愛好，直至后來他開始研究用新發(fā)明的電動機來替換飲料廠的蒸氣機的可行性。
1837年，焦耳裝成了用電瓶驅(qū)動的電磁機，并發(fā)表了關(guān)于這方面的論文而導(dǎo)致人們的注意。
1838年，他的第一篇關(guān)于熱學(xué)的科學(xué)論文被發(fā)表在《電學(xué)年鑒》上。這份學(xué)術(shù)刊物是由戴維斯的朋友威廉·斯特金創(chuàng)立和主持的。
1840年，焦耳把環(huán)型線圈倒入裝水的試管內(nèi)，檢測不同電壓硬度和內(nèi)阻時的溫度。1840年，22歲的焦耳第一篇重要的論文于被送到澳洲皇家學(xué)會，當(dāng)手指出濁度體所發(fā)出的熱量與電壓硬度、導(dǎo)體內(nèi)阻和通電時間的關(guān)系，即焦耳定理。因為不久以后，俄羅斯化學(xué)學(xué)家楞次也獨立發(fā)覺了同樣的定理，該定理合稱為焦耳-楞次定理。焦耳提出能量守恒與轉(zhuǎn)化定理：能量既不會陡然消失，也不會陡然形成，它只能從一種方式轉(zhuǎn)化成另一種方式，或則從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而能的總數(shù)保持不變，奠定了熱力學(xué)第一定理（能量不滅原理）之基礎(chǔ)。焦耳在法國皇家學(xué)會上宣讀了關(guān)于電壓生熱的論文，提出電壓通過導(dǎo)體形成熱量的定理。他原本打算讓皇家學(xué)會大吃一驚的，可后來發(fā)覺自己被僅僅當(dāng)成鄉(xiāng)下的業(yè)余愛好者。當(dāng)斯特金在1840年遷往伯明翰后，他和焦耳成為了這個城市知識分子的核心。他倆同感，科學(xué)和神學(xué)應(yīng)當(dāng)而且可能整合在一起，焦耳開始在斯特金的皇家維多利亞實踐科學(xué)講堂上開設(shè)講堂。
1843年8月21日在美國學(xué)術(shù)會上，焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應(yīng)和熱的機械值》，他在報告中說1卡路里的熱量相當(dāng)于460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強烈的反響，這時他意識到自己還須要進行更精確的實驗。
1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時的氣溫變化，他在這方面取得了許多成就。通過對二氧化碳分子運動速率與濕度的關(guān)系的研究，焦耳估算出了二氧化碳分子的熱運動速率值，從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋-呂薩克定理的基礎(chǔ)，并解釋了二氧化碳對器壁壓力的實質(zhì)。
1847年，焦耳做了迄今覺得是設(shè)計思想最巧妙的實驗：他在量熱器里裝了水，中間安上帶有莖稈的轉(zhuǎn)軸，之后讓升高重物推動莖稈旋轉(zhuǎn)，因為莖稈和水的摩擦，水和量熱器都變熱了。
1852年，她們發(fā)覺當(dāng)自由擴散二氧化碳從高壓容器步入低壓容器時，大多數(shù)二氧化碳和空氣的濕度都要升高。這一現(xiàn)象后來被稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)。這個效應(yīng)在高溫和二氧化碳液化方面有廣泛的應(yīng)用。焦耳對蒸氣機的發(fā)展也作出了不少有價值的工作。
1850年，焦耳憑著他在數(shù)學(xué)學(xué)上做出的重要貢獻成為法國皇家學(xué)會會員，當(dāng)時他三十二歲，三年后他接受了皇家勛章。許多外國科大學(xué)也給與他很高的榮譽。盡管焦耳不停地進行著他的實驗檢測工作焦耳定律什么時候發(fā)現(xiàn)的，遺憾的是，他的科學(xué)創(chuàng)造性，非常是在數(shù)學(xué)概念方面的創(chuàng)造性，過早地就減輕了。
1875年，日本科學(xué)商會委托他更精確地檢測熱功當(dāng)量。他得到的結(jié)果是4.15，十分接近1卡=4.184焦耳。1875年，焦耳的經(jīng)濟狀況大不如前。那位以前頗具過但卻沒有一定職位的人發(fā)覺自己在經(jīng)濟上處于窘境，幸好他的同事幫他弄到一筆每年200美元的養(yǎng)老金，使他得以維持中等但舒適的生活。五十五歲時，他的健康狀況惡化焦耳定律什么時候發(fā)現(xiàn)的，研究工作減弱了。1878年，當(dāng)焦耳六十歲時，他發(fā)表了最后一篇論文。
在逝世前三年，焦耳對他的兒子的說，“我一生只做了兩三件事，沒有哪些值得顯擺的。”相信對于大多數(shù)化學(xué)學(xué)家，她們只要才能做到這種小事中的一件也都會很滿意了。焦耳的謙卑是極其誠摯的。很可能，假如他曉得了在威斯敏斯特修道院為他建造了記念碑，并以他的名子命名能量單位，他將會倍感驚奇，即使后人決不會倍感驚奇。
1889年10月11日，焦耳在塞爾的屋內(nèi)去世，被埋葬在該市的布魯克蘭墓園。在他的石碑上刻有數(shù)字“772.55”，這是他在1878年的關(guān)鍵檢測中得到的熱功當(dāng)量值。石碑上還刻有約翰福音的一段話，“趁著白日，我們必須做那差我來者的工；黑夜將到，就沒有人能做工了。