Sir William Crookes fit ses études au Collège royal de chimie. Il fut nommé, en 1854, assistant de météorologie à Oxford et enseigna la chimie à Chester en 1855.
Grâce à l’héritage obtenu de son père, il put, à partir de 1856, se consacrer entièrement à ses travaux scientifiques dans son laboratoire privé de Londres. Ses recherches sur les décharges électriques dans les gaz raréfiés, lui permirent d’observer autour de la cathode un espace obscur, qui porte son nom. Il publia une théorie sur la "matière radiante" (l’électron) et inventa de nombreux dispositifs pour l’étudier.
Il découvrit en 1861 le thallium et étudia ses propriétés dans le vide. Il construisit d’ailleurs à cet effet le radiomètre en 1875. Le tube de Crookes utilisé dans la technique des rayons X lui doit son nom. Il étudia les propriétés du radium lorsqu’il fut découvert et inventa le spinthariscope, afin de le mettre en évidence par phosphorescence d’un écran de sulfure de zinc.
Crookes a écrit de nombreux livres de chimie et fondé, en 1859, le journal Chemical News, qu’il dirigea jusqu’en 1906.