24歲時，焦耳開始對通電導體放熱的問題進行深入的研究。。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成1個電熱器。然後把電熱器放入1個玻璃瓶中，瓶中裝有已知質量的水。給電熱器通電並開始計時，用鳥羽毛輕輕攪動水，使水溫度均勻。從插在水中的溫度計，可隨時觀察到水溫的變化。同時用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實驗做了一次又一次，大量資料使焦耳發現：電流通過導體時產生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。
焦耳把這一實驗規律寫成論文《關於金屬導體和電池在電解時放出的熱》。然而，論文並沒有引起學術界的重視。因為在一些學者們看來，電與熱的關係不能那麼簡單，況且焦耳只是1個釀酒師，又沒有大學文憑。一年後，俄國彼德堡科學院院士楞次也做了電與熱的實驗，並得到與焦耳完全一致的結果。焦耳的論文才得到重視，後來人們把這個定律叫做焦耳定律。
