Thomsen lahir di Kopenhagen, dan menghabiskan hidupnya di kota itu. Dari 1847 hingga 1856 ia mengajar kimia di Politeknik, di mana dari 1883 hingga 1892 ia menjadi direkturnya. Dari 1856 hingga 1866 ia menjadi staf sekolah menengah militer. Pada 1866 ia dilantik sebagai profesor kimia di universitas, dan mempertahankan posisinya hingga pensiun dari pekerjaan aktif pada 1891.
Seorang sahabat dan kolega L.A. Colding, yang merupakan salah satu pendukung awal prinsip kekekalan energi, Thomsen berbuat banyak untuk menemukan bidang termokimia. Khususnya antara 1869 dan 1882, ia melakukan sejumlah besar penentuan panas yang dihasilkan atau diserap dalam reaksi kimia, seperti pembentukan garam, oksidasi dan reduksi, dan pembakaran senyawa organik. Hasil pengumpulannya diterbikan dari 1882 hingga 1886 dalam empat jilid dengan judul Thermochemische Untersuchungen, dan juga resume dalam bahasa Inggris dengan judul "Thermochemistry" pada 1908. Pada 1857 ia mendirikan sebuah proses pembuatan soda abu dari kriolit di Kopenhagen, yang diperoleh dari pantai barat Greenland.
Saudaranya, Carl August Thomsen (1834 - 1894), adalah dosen kimia teknik di Politeknik Kopenhagen, dan saudara kedua, Thomas Gottfried Thomsen (1841 - 1901), adalah asisten di laboratorium kimia di universitas hingga 1884, ketika dia meninggalkan ilmu pengetahuan untuk teologi, kemudian menjadi pendeta di Norup dan Randers.
Kragh, Helge (January 1982). "Julius Thomsen and 19th-century speculations on the complexity of atoms". Annals of Science. 39: 37–60. doi:10.1080/00033798200200111.
