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Nació el 6 de septiembre de 1766, en Eaglesfield, Cumberland (hoy Cumbria). Hijo de un pobre tejedor. 

Autodidacta, comenzó a enseñar a la edad de 12 años en una escuela de su ciudad natal. En1781 se radica en Kendal, donde dirige una escuela junto a su primo y su hermano mayor. Se traslada a Manchester en 1793 y allí pasa el resto de su vida como profesor, primero en el New College y mástarde como tutor privado. 

En 1787 inicia una serie de estudios meteorológicos que continuó durante 57 años, acumulando unas 200.000 observaciones y medidas sobre el clima en el área de Manchester.Fue el primero en probar la teoría de que la lluvia se produce por una disminución de la temperatura, y no por un cambio de presión atmosférica. Su primera obra fue, Observaciones y ensayosmeteorológicos (1793). Un año después presenta en la Sociedad Filosófica y Literaria de Manchester un ensayo sobre el daltonismo, tanto él como su hermano padecían de una forma genética de ceguera para loscolores (acromatopsia), que no permite al paciente distinguir entre el rojo y el verde; el ensayo fue la primera descripción de este fenómeno. 

Su contribución más importante a la ciencia fue su teoríade que la materia está compuesta por átomos de diferentes masas que se combinan en proporciones sencillas para formar compuestos. Esta teoría, que formuló por primera vez en 1803, es la piedra angularde la ciencia física moderna. 

En 1808 se editó su obra Nuevo sistema de filosofía química, que incluía las masas atómicas de varios elementos conocidos en relación con la masa del hidrógeno. Llegóa su teoría atómica a través del estudio de las propiedades físicas del aire atmosférico y de otros gases. También, abarcó la lingüística y compuso una gramática inglesa. 

Es elegido miembro dela Sociedad Real de Londres en 1822. En 1826 recibió la medalla de oro de la Royal Soviet de Londres. Fue miembro de la Academia Francesa de las Ciencias y también uno de los fundadores de la...