Em 1861 ele descobriu o elemento metálico tálio (tl) que o levou indiretamente à invenção do radiômetro em 1875. Mais tarde ele desenvolveu um tubo de vácuo que foi o precursor dos tubos de raios-x. Seus estudos de raios catódicos foram fundamentais no desenvolvimento da física atômica.
Dada a enorme profusão de fenômenos ditos mediúnicos no século XIX, William Crookes como cientista de renome internacional, decidiu investigar o Espiritismo, segundo ele porque: “considero que para o homem de ciência que aprendeu a usar métodos exatos de trabalho, é uma obrigação examinar esses fenômenos que atraem a atenção do público, para confirmar se são genuínos e explicar se possível as maquinações dos desonestos e expor os truques dos enganadores.”
Ele iniciou as novas pesquisas estudando o médium mais famoso da época, Daniel Dunglas Home. Muitos achavam que Crookes iria finalmente expor a verdade sobre o que ele observasse e quando Crookes se convenceu da veracidade dos fenômenos, isso chocou o público e seus colegas cientistas, apesar de ele conduzir seus experimentos dentro das mais rígidas condições científicas de controle.
As experiências de laboratório mais significativas foram feitas a partir de 1870 com a médium Florence Cook, na época com quinze anos. Através da mediunidade dela, ocorreu uma série de materializações de um espírito que se nomeava Kate King e que durou quase três anos. As materializações de Kate King eram tão completas que tornaram possível uma investigação profunda por William Crookes que publicou um relato completo inclusive fotos das materializações no livro “Fatos Espíritas” em 1874, enfrentando uma grande hostilidade por parte da comunidade científica.
Apesar de tudo, William Crookes jamais mudou suas conclusões quanto à realidade do fenômeno espírita. Ele afirmou em 1898 : “trinta anos se passaram desde que eu publiquei um relato de experimentos, com o propósito de mostrar que fora do nosso conhecimento científico, existe uma Força exercida por uma inteligência diferente da inteligência comum dos mortais. Eu não tenho nada a retratar. Continuo fiel aos meus testemunhos já publicados.”
Sir William Crookes desencarnou em Londres em 4 de abril de 1919.