Tras el exitoso tendido del cable transatlántico, Thomson se convirtió en socio de dos empresas consultoras de ingeniería, que desempeñaron un importante papel en la planificación y construcción de cables submarinos durante la frenética época de expansión que dio lugar a una red mundial de comunicación telegráfica. Thomson se convirtió en un hombre rico que pudo permitirse un yate de 126 toneladas y una finca baronal.
Los intereses científicos de Thomson incluían no sólo la electricidad, el magnetismo, la termodinámica y la hidrodinámica, sino también cuestiones geofísicas sobre las mareas, la forma de la Tierra, la electricidad atmosférica, los estudios térmicos del suelo, la rotación de la Tierra y el geomagnetismo. También entró en la polémica sobre la teoría de la evolución de Charles Darwin. Thomson se opuso a Darwin, permaneciendo «del lado de los ángeles»
Thomson desafió los puntos de vista sobre el cambio geológico y biológico de los primeros uniformitarios, incluido Darwin, que afirmaban que la Tierra y su vida habían evolucionado a lo largo de un número incalculable de años, durante los cuales las fuerzas de la naturaleza siempre operaron como en la actualidad. Basándose en la teoría termodinámica y en los estudios de Fourier, Thomson estimó en 1862 que hace más de un millón de años el calor del Sol y la temperatura de la Tierra debían ser considerablemente mayores y que estas condiciones habían producido violentas tormentas e inundaciones y un tipo de vegetación totalmente diferente. Sus opiniones, publicadas en 1868, irritaron especialmente a los partidarios de Darwin. Thomas Henry Huxley replicó a Thomson en el discurso del aniversario del presidente de la Sociedad Geológica de Londres de 1869. Las especulaciones de Thomson sobre la edad de la Tierra y el Sol eran inexactas, pero consiguió insistir en su argumento de que la teoría biológica y geológica tenía que ajustarse a las teorías bien establecidas de la física.
En una serie de conferencias de 1884 en la Universidad Johns Hopkins sobre el estado del conocimiento científico, Thomson se preguntó en voz alta sobre los fallos de la teoría ondulatoria de la luz para explicar ciertos fenómenos. Su interés por el mar, despertado a bordo de su yate, el Lalla Rookh, dio lugar a una serie de patentes: una brújula que fue adoptada por el Almirantazgo británico; una forma de ordenador analógico para medir las mareas en un puerto y para calcular tablas de mareas para cualquier hora, pasada o futura; y equipos de sondeo. Creó una empresa para fabricar estos artículos y una serie de aparatos de medición eléctrica. Al igual que su padre, publicó un libro de texto, Treatise on Natural Philosophy (1867), una obra sobre física en coautoría con Tait que ayudó a dar forma al pensamiento de una generación de físicos.
Se dice que Thomson tenía más letras tras su nombre que cualquier otro hombre de la Commonwealth. Recibió títulos honoríficos de universidades de todo el mundo y fue alabado por sociedades de ingeniería y organizaciones científicas. Fue elegido miembro de la Royal Society en 1851 y fue su presidente de 1890 a 1895. Publicó más de 600 artículos y obtuvo decenas de patentes. Murió en su finca de Escocia y fue enterrado en la Abadía de Westminster, Londres.