In 1861 heeft hij het metaal thallium ontdekt, wat hem uiteindelijk zou leiden tot het uitvinden van de radiometer in 1875. Later heeft hij een vacuüm buis ontwikkeld die de voorloper van de x-stralen buizen werd. Zijn werkzaamheden met kathodestralen waren van fundamenteel belang voor de ontwikkeling van de atomische fysica.
De enorme verspreiding van de zogenaamde mediamieke fenomenen in de XIXe eeuw was de aanleiding geweest voor William Crookes om als wereldberoemd wetenschapper het Spiritisme te gaan onderzoeken want, zei hij: “Voor de man van de wetenschap die geleerd heeft om met exacte methodes aan het werk te gaan, beschouw ik het als een plicht om die fenomenen die de aandacht van het publiek trekken onder de loep te nemen om erachter te komen of die terecht zijn en uitleggen indien mogelijk, het bedrog van de oneerlijke en de wandaden van de oplichters aan het licht te brengen.”
Allereerst is hij begonnen met het onderzoeken van het meest beroemd medium van die tijd: Daniel Dunglas Home. Menigeen dacht dat door het serieuze werk van Crookes de waarheid over de gevallen van mediumschap eindelijk naar boven zou komen, maar toen Crookes van de echtheid van de fenomenen overtuigd was, kwam dat als een schok voor zijn collega’s wetenschappers en voor het publiek, ondanks het feit dat Crookes zijn experimenten onder de meest strenge wetenschappelijk voorwaarden had gedaan.
De meest relevante experimenten vonden eigenlijk plaats vanaf 1870 met het medium Florence Cook, toen vijftien jaar oud. Onder haar mediumschap, verschenen er series van materialisaties van een geest die zichzelf Katie King noemde en dat ging door voor bijna drie jaar lang. De materialisaties van Katie King waren zo compleet dat een grondig onderzoek naar het fenomeen mogelijk was. William Crookes heeft er een volledig rapport van gemaakt, inclusief foto’s van materialisaties in zijn boek “Spiritistische Feiten” uit 1874.
Ondanks de afkeuring van de wetenschappelijk kring heeft William Crookes nooit zijn conclusies over de ware karakter van de spiritistische fenomenen veranderd. Hij zei in 1898: “Er zijn al dertig jaar verstreken voordat ik een reeks aan experimenten publiceerde om aan te tonen dat er buiten onze wetenschappelijke kennis een Kracht bestaat, die door een intelligentie beoefend wordt die anders is dan de intelligentie van de gewone stervelingen. Ik heb niks om te herroepen. Ik blijf trouw aan mijn eerder gepubliceerde beweringen.”