Après la pose réussie du câble transatlantique, Thomson devient partenaire de deux sociétés de conseil en ingénierie, qui jouent un rôle majeur dans la planification et la construction de câbles sous-marins pendant l’ère frénétique d’expansion qui aboutit à un réseau mondial de communication télégraphique. Thomson devient un homme riche qui peut s’offrir un yacht de 126 tonnes et un domaine baronnial.
Les intérêts scientifiques de Thomson comprenaient non seulement l’électricité, le magnétisme, la thermodynamique et l’hydrodynamique, mais aussi des questions géophysiques sur les marées, la forme de la Terre, l’électricité atmosphérique, les études thermiques du sol, la rotation de la Terre et le géomagnétisme. Il a également participé à la controverse sur la théorie de l’évolution de Charles Darwin. Thomson s’opposa à Darwin, restant « du côté des anges ».
Thomson a contesté les vues sur les changements géologiques et biologiques des premiers uniformitariens, dont Darwin, qui prétendaient que la Terre et sa vie avaient évolué au cours d’un nombre incalculable d’années, pendant lesquelles les forces de la nature ont toujours fonctionné comme actuellement. Sur la base de la théorie thermodynamique et des études de Fourier, Thomson estima en 1862 qu’il y a plus d’un million d’années, la chaleur du Soleil et la température de la Terre devaient être considérablement plus élevées et que ces conditions avaient produit de violentes tempêtes et inondations et un type de végétation entièrement différent. Ses opinions, publiées en 1868, ont particulièrement irrité les partisans de Darwin. Thomas Henry Huxley répondit à Thomson dans le discours d’anniversaire de 1869 du président de la Geological Society of London. Les spéculations de Thomson sur l’âge de la Terre et du Soleil étaient inexactes, mais il parvint à faire valoir sa thèse selon laquelle les théories biologiques et géologiques devaient se conformer aux théories bien établies de la physique.
Dans une série de conférences données en 1884 à l’université Johns Hopkins sur l’état des connaissances scientifiques, Thomson s’interrogea à haute voix sur les échecs de la théorie ondulatoire de la lumière pour expliquer certains phénomènes. Son intérêt pour la mer, éveillé à bord de son yacht, le Lalla Rookh, se traduit par un certain nombre de brevets : un compas adopté par l’amirauté britannique, une forme d’ordinateur analogique permettant de mesurer les marées dans un port et de calculer des tables de marées pour n’importe quelle heure, passée ou future, et un équipement de sondage. Il crée une entreprise pour fabriquer ces articles et un certain nombre d’appareils de mesure électriques. Comme son père, il a publié un manuel, Treatise on Natural Philosophy (1867), un ouvrage de physique coécrit avec Tait qui a contribué à façonner la pensée d’une génération de physiciens.
Thomson aurait eu droit à plus de lettres après son nom que tout autre homme du Commonwealth. Il a reçu des diplômes honorifiques d’universités du monde entier et a été salué par des sociétés d’ingénieurs et des organisations scientifiques. Il a été élu membre de la Royal Society en 1851 et en a été le président de 1890 à 1895. Il a publié plus de 600 articles et a obtenu des dizaines de brevets. Il est décédé dans sa propriété en Écosse et a été enterré dans l’abbaye de Westminster, à Londres.