汤姆森最著名的学生是恩斯特·卢瑟福（Ernst Rutherford），也是卡文迪什实验室的接班人，在二战前其最著名的科学家之一。卢瑟福1871年出生于新西兰，在新西兰第二古老的大学坎特伯雷大学进行本科学习，1895年被允许到剑桥大学卡文迪什实验室学习，也是被允许在该实验室工作的第一批海外研究人员之一，这也是根据汤姆森在1885的倡议，剑桥允许没有获得剑桥大学学位的学生在卡文迪什实验室做研究。卢瑟福的汤姆森的指导之下，发现了X射线，1898年汤姆森推荐卢瑟福在麦吉尔大学担任物理系教授，继续进行放射性研究，发现了放射性元素氡，并区分并命名为α和β辐射，1907年卢瑟福回到英国曼彻斯特大学担任物理系主任，1908年获得诺贝尔化学奖，1919年成为剑桥大学卡文迪什实验室的主任，在他的领导下，詹姆斯·查德威克于1932年发现了中子，1935年获得诺贝尔物理学奖，1932年也是在其实验室，约翰科克罗夫特和欧内斯特沃尔顿完成了第一次原子的分裂，原子裂变已经从科学上宣告了原子弹的可行性，两人于1951年获得诺贝尔物理学奖。卢瑟福1937年逝世，葬于威斯敏特大教堂，汤姆森也葬于此，毗邻牛顿之墓。
第二位获得诺贝尔奖的学生是弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston），阿斯顿生于1977年的伯明翰地区，1893年在梅森学院开始大学的学习，经过在名师门下学习，，后来任教于伯明翰大学，他在19世纪90年代中期人们发现了X射线和放射性后开始从事物理学研究，由于杰出的表现，汤姆森邀请阿斯顿前往卡文迪什实验室，从事于阳极光线的研究，他在1919年完成了第一台质谱仪，发现了大量的同位素，于1922年获得诺贝尔化学奖。
第三位是查尔斯·汤姆逊·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson），1859年出生于苏格兰，他于1892年毕业于剑桥大学西得尼·萨赛克斯学院，后在剑桥大学一面做实验研究，一面当医学系的实验演示员．当时卢瑟福等一些青年科学家都是剑桥大学卡文迪许实验室的研究生，威尔逊经常和他们一起参加茶余饭后的讨论。1894年，威尔逊在英国第一高峰苏格兰的本内维斯峰的天文台度过了几个星期的时间．在那里，他看到了阳光返照云彩的奇景，使他想在实验室中再现它们，这就使他走上了发明云室（又称云雾室）的道路．汤姆逊的论文顾问JJ·汤姆森允许这种离奇的想法，同意他的研究的进行，使得他致力于云室的研究，发明了云室这种能够发现正电子的粒子的物理设置，使得他在1927年和康普顿共同分享了当年的诺贝尔物理奖。
