Barkla ble utdannet i matematikk og fysikk ved det som i dag er universitet i Liverpool. De siste årene arbeidet han der under Oliver Lodge med elektromagnetiske fenomen og mottok en mastergrad i 1899. Samme året ble han opptatt ved Trinity College ved University of Cambridge for å arbeide sammen med J. J. Thomson som hadde oppdaget elektronet noen år tidligere. Der fortsatte han sine studier rundt utbredelse av elektromagnetiske bølger, men skiftet snart over til å studere egenskapene til røntgenstråling. Dette samarbeidet med Thomson ville bety mye for hans videre forskningskarriere.