1852年、ジュールはトムソンから、気体を自由膨張させると温度がわずかに下がるのではないかということを告げられた。ジュールは以前、外に対して仕事をしない気体の膨張では温度が変化しないことを確かめていたが、そのときの実験は、装置自体を水中にいれ、その水の温度変化を測定するという手法であったので、温度変化が少ない場合は変化を検出できなかった。そのため、トムソンの考えを確かめるには、より精密な測定を行う必要があった。こうして、ジュールとトムソンの共同研究が始まった。実験装置は3馬力の仕事を出せる大きなもので、始めはジュールの醸造所を実験場所としたが、1854年に醸造所を売却した後は自宅で実験を行った。実験の結果、確かに膨張させると温度が下がることが確認された。この結果は1852年-1854年に発表され、現在ではジュール＝トムソン効果と呼ばれている。論文発表後もこの実験は続けられ、1861年にジュールは引越しをしたときには、その引越し先でも実験を行っていたが、コンプレッサーの音がうるさいと隣の家から苦情が来たため中止された。この実験を行っていた時期はジュールにとって不幸な出来事が続いた。裕福だったジュール家も没落が始まり、さらに1854年には妻アメリアを亡くし、もともと積極的でなかったジュールはさらに引きこもってしまった。そして1858年には父を失った。さらに1858年、ジュールは汽車の事故に遭遇し、それ以来汽車での旅を避けるようになった。精神的にも疲れが見られてきており、1860年、マンチェスターのオーエンズ・カレッジに物理学教授のポストが作られた時は、「実を言うと、脳を使いすぎるのは良くないと思っている。数年前、ちょっとした頭脳労働も手に余ると感じ、できる限りものを考えないようにした。徐々に良くなっているが、無理は良くないと思う。」という理由でこの職に応募しなかった。1860年代に入っても、ジュール＝トムソン効果を確かめる実験で発生した騒音と煙にまつわる隣人との論争（「法律沙汰にする」とおびやかされた）や、熱の仕事当量の先取権に関する論争に関わるなど、波乱は続いた。
このような幾たびかにわたるジュールの仕事当量の測定は、相変わらず一般には認められなかった。1845年、ジュールはまた別の方法で仕事当量の測定を行った。これは、おもりの重さで水中の羽根車を回し、その運動による水の温度上昇を測定するという手法であった。この装置は、温度の変化を華氏0.005度の単位で測定できるという、当時では他に誰も実現できない精度をもっていた。ジュールは1845年以降、この手法で繰り返し測定を行った。この実験も最初は無視され、2度目の発表（1847年）の際には、事前に司会から、手短に済ませるように注意を受けていた。そのため発表は簡単なものになったが、発表を終えたとき、出席者の一人が立ち上がり、内容に興味を惹かれたといった旨の発言をした。ウィリアム・トムソンであった。こうして、ジュールはトムソンと親交を深めるようになった。ジュールはこの発表会の少し後にアメリア・グライムスと結婚し、新婚旅行でスイスに出かけたが、その際、偶然に旅行中のトムソンと出会っている。トムソンの話によれば、そのときジュールは温度計を持っていたという。ジュールは、滝が落ちるときに落下のエネルギーが熱に変わるから、滝の上と下では下のほうが温度が高くなっていると考え、それを実証しようとしていたのであった（実際には温度の差はごくわずかなものなので、手持ちの温度計では確かめられなかった）。トムソンに認められた頃を境に、ジュールをとりまく環境にも変化が現れてきた。はじめはジュールの理論に賛同するものは異端者扱いされていたが、やがて、ジョージ・ストークスがトムソンに、「ジュールを信じる気になってきた」と語るなど、徐々に支持が広がっていった。1848年には、トリノの王立科学アカデミーの通信会員に選ばれた。さらに1849年に行った羽根車の実験は、マイケル・ファラデーの紹介のもと、王立学会で発表され、翌年にはジュールは王立協会の会員となるにまで至ったのである。
庶民院議員ロバート・ホプトンとジェーン・ケミズ夫妻の子としてサマセットで誕生、オックスフォード大学を卒業し1625年に庶民院議員になった。ドイツへ渡り三十年戦争に参戦したこともあり、後に宿敵になるウィリアム・ウォラーと一緒に活動していたという。1640年11月からの長期議会で初め議会派に属してチャールズ1世の政策を批判、議会に対抗してロンドン塔を確保したことにも反対した。しかし1642年3月、議会が国王から軍統帥権を奪う民兵条例を発布すると反対したため一時投獄された。8月に第一次イングランド内戦が始まると王党派に替わり、最初ハートフォード侯ウィリアム・シーモアと共に南西のサマセット・ドーセットで挙兵を計画、失敗して南西端のコーンウォールへ退きハートフォード侯と別れると、ここで兵を集め襲撃した議会軍を返り討ちにした。翌1643年に本格的な軍事活動を開始、緒戦は敗れたが5月16日にストラットンの戦いで勝利すると東進してデヴォンへ移動、オックスフォードから援軍に来たハートフォード侯とチャールズ1世の甥モーリスの国王軍と合流、迎え撃ったウォラーの議会軍を7月5日のランズダウンの戦いと13日のラウンドウェイ・ダウンの戦いで連勝、チャールズ1世から男爵に叙された。続いてモーリスの兄ルパートの軍とも合流してブリストルを陥落、ルパートから代理としてブリストルを任されるまでになった。こうして国王軍は南西からホプトンの軍が、北のヨークシャーからニューカッスル侯ウィリアム・キャヴェンディッシュの軍が、西のオックスフォードからチャールズ1世の本隊が3方向から議会の本拠地ロンドンを陥れる態勢が整った。しかしホプトンはニューカッスル侯と共にロンドン進撃作戦を拒否したため中止、代わりに12月に南東のサセックスへ進出したが、ウォラーもサセックスへ侵攻したためウィンチェスターへ撤退、1644年3月29日のチャーストンの戦いでウォラーに敗れ東進を阻まれた。やがて戦局が悪化し王党派の劣勢になった1646年1月に国王軍司令官に任命されたが、委ねられた軍は規律に欠け疲れ果てた兵士ばかりなため成果を挙げられず、議会派のニューモデル軍司令官トーマス・フェアファクスが南西部へ進軍した所を迎撃したが2月16日のトリントンの戦いで敗北、デヴォンからコーンウォールへ退却しトゥルーロで籠城したがそこもフェアファクスに包囲され、3月13日に軍を解散して降伏した。戦後引退して大陸へ亡命、1652年にスペイン領ネーデルラント（現在のベルギー）のブリュージュで亡くなった。死後、爵位は消滅した。