Ջեյմս Ջոուլն աշակերտել է հայտնի ֆիզիկոս ու քիմիկոս Ջոն Դալտոնին և նրա ղեկավարությամբ սկսել իր փորձարարական հետազոտությունները: 1841 թ-ին նա բացահայտել է (Է. Լենցից անկախ), որ մետաղե հաղորդիչով էլեկտրական հոսանք անցնելիս անջատվող ջերմության քանակը համեմատական է հաղորդիչի էլեկտրական դիմադրությանը, հոսանքի ուժի քառակուսուն և հոսանքի անցման ժամանակին (հայտնի է որպես Ջոուլ-Լենցի օրենք):
1843–50 թթ-ին նա փորձերով ցույց է տվել, որ մեխանիկական աշխատանքը ջերմության կարող է վերածվել խիստ որոշակի համամասնությամբ, և որոշել է ջերմության մեխանիկական համարժեքը: Դրանով նա տվել է էներգիայի պահպանման օրենքի փորձնական հաստատումը: 1851 թ-ին Ջոուլը տեսականորեն որոշել է որոշ գազերի ջերմունակությունը՝ ջերմությունը դիտելով որպես մասնիկների շարժում: Նա հետազոտել է գազի սեղմման և ընդարձակման ժամանակ առաջացող ջերմային երևույթները. մասնավորապես նոսրացած գազերի ընդարձակման փորձերով ցույց է տվել, որ դրանց ներքին էներգիան կախված չէ ծավալից, ինչը և ընդունվել էր իդեալական գազի համար: Անգլիացի ֆիզիկոս Վ. Թոմսոնի հետ Ջոուլը փորձնական ճանապարհով պարզել է, որ ծակոտկեն միջնորմով գազի դանդաղ, ստացիոնար, ադիաբատ հոսույթի դեպքում գազի ջերմաստիճանը փոխվում է (Ջոուլ-Թոմսոնի էֆեկտ): Նա կառուցել է թերմոդինամիկական ջերմաստիճանային սանդղակ, տեսականորեն որոշել մի շարք գազերի ջերմունակությունը: Ջոուլը հաշվարկել է նաև գազի մոլեկուլների շարժման արագությունը և հայտնաբերել այդ արագության կախումը ջերմաստիճանից: Գազի ճնշումը նա համարել է անոթի պատերին գազի մասնիկների հարվածների արդյունք: Ջոուլը հայտնաբերել է նաև մագնիսական հագեցման երևույթը ֆեռոմագնիսների մագնիսացման դեպքում:
Միավորների միջազգային համակարգում 1 Ջ հավասար է այն աշխատանքին, որ կատարվում է, երբ 1 Ն ուժի կիրառման կետն ուժի ազդման ուղղությամբ տեղափոխվում է 1 մ-ով:
