Nach der erfolgreichen Verlegung des Transatlantikkabels wurde Thomson Partner in zwei Ingenieurbüros, die während der rasanten Expansionsphase, die zu einem globalen Telegrafennetz führte, eine wichtige Rolle bei der Planung und dem Bau von Unterseekabeln spielten. Thomson wurde ein wohlhabender Mann, der sich eine 126-Tonnen-Yacht und ein fürstliches Anwesen leisten konnte.
Thomsons wissenschaftliches Interesse galt nicht nur der Elektrizität, dem Magnetismus, der Thermodynamik und der Hydrodynamik, sondern auch geophysikalischen Fragen über die Gezeiten, die Form der Erde, die atmosphärische Elektrizität, thermische Untersuchungen des Bodens, die Erdrotation und den Erdmagnetismus. Er beteiligte sich auch an der Kontroverse über die Evolutionstheorie von Charles Darwin. Thomson stellte sich gegen Darwin und blieb „auf der Seite der Engel“
Thomson stellte die Ansichten der frühen Uniformitaristen über geologische und biologische Veränderungen in Frage, zu denen auch Darwin gehörte, der behauptete, die Erde und ihr Leben hätten sich in einer unabsehbaren Anzahl von Jahren entwickelt, in denen die Naturkräfte immer so gewirkt hätten wie heute. Auf der Grundlage der thermodynamischen Theorie und der Studien von Fourier schätzte Thomson 1862, dass die Sonnenwärme und die Temperatur der Erde vor mehr als einer Million Jahren wesentlich höher gewesen sein mussten und dass diese Bedingungen heftige Stürme und Überschwemmungen sowie eine völlig andere Art von Vegetation hervorgebracht hatten. Seine 1868 veröffentlichten Ansichten verärgerten vor allem die Anhänger Darwins. Thomas Henry Huxley antwortete Thomson in der Jubiläumsansprache des Präsidenten der Geologischen Gesellschaft von London im Jahr 1869. Thomsons Spekulationen über das Alter der Erde und der Sonne waren ungenau, aber er konnte seine Behauptung durchsetzen, dass biologische und geologische Theorien mit den etablierten Theorien der Physik übereinstimmen müssen.
In einer Vortragsreihe an der Johns Hopkins University über den Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse im Jahr 1884 wunderte sich Thomson laut darüber, dass die Wellentheorie des Lichts bestimmte Phänomene nicht erklären konnte. Sein an Bord seiner Yacht Lalla Rookh gewecktes Interesse am Meer führte zu einer Reihe von Patenten: einem Kompass, der von der britischen Admiralität übernommen wurde, einer Art analogem Computer zur Messung der Gezeiten in einem Hafen und zur Berechnung von Gezeitentabellen für jede beliebige Stunde, ob in der Vergangenheit oder in der Zukunft, sowie Peilgeräten. Er gründete ein Unternehmen zur Herstellung dieser Produkte und einer Reihe von elektrischen Messgeräten. Wie sein Vater veröffentlichte er ein Lehrbuch, Treatise on Natural Philosophy (1867), ein gemeinsam mit Tait verfasstes Werk über Physik, das das Denken einer ganzen Generation von Physikern prägte.
Thomson soll mehr Buchstaben hinter seinem Namen gehabt haben als jeder andere Mann im Commonwealth. Er erhielt Ehrentitel von Universitäten in der ganzen Welt und wurde von Ingenieurgesellschaften und wissenschaftlichen Organisationen gelobt. 1851 wurde er zum Fellow der Royal Society gewählt und war von 1890 bis 1895 deren Präsident. Er veröffentlichte mehr als 600 Arbeiten und erhielt Dutzende von Patenten. Er starb auf seinem Anwesen in Schottland und wurde in der Westminster Abbey in London beigesetzt.