24岁时，焦耳开始对通电导体放热问题进行深入研究。焦耳首先把电阻丝盘绕在玻璃管上，做成一个电热器。然后把电热器放入一个玻璃瓶中，瓶中装有已知质量的水，给电热器通电并开始计时。他用鸟羽毛轻轻搅动水，从插在水中的温度计观察到水温的变化。同时用电流计测出电流的大小。焦耳把这种实验做了一次又一次，大量数据使焦耳发现：电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。
焦耳定律数学表达式为：Q=I2Rt
式中，Q为电流通过导体时产生的热量；I为电流；R为导体的电阻；t为通电时间。
焦耳把这一实验规律写成论文，并于1841年发表在英国《哲学杂志》上。然而，论文并没有引起学术界的重视。一年后，俄国彼德堡科学院院士楞次也做了电与热的实验，并得到与焦耳完全一致的结果，焦耳的论文才得到重视，后来人们把这个定律叫作焦耳定律，也叫焦耳—楞次定律。