Williamsona na stanowisku principal assistant (znajomość obu chemików rozwinęła się w wieloletnią przyjaźń).
Po uzyskaniu w UCL stopnia Bachelor of Arts wiosną roku 1854 wyjechał do Niemiec, w celu dalszego kształcenia w dziedzinie chemii u Christiana von Bunsena (Heidelberg) i Adolpha Kolbego (Marburg). W następnym roku otrzymał tytuł Doctor of Philosophy (summa cum laude).
Po powrocie do Anglii (1856) był początkowo asystentem Edwarda Franklanda, a następnie profesorem chemii w Owens College (Manchester). Po trzech latach wyjechał do Edynburga, gdzie otrzymał stanowisko profesora chemii na Uniwersytecie Edynburskim (zastąpił zmarłego w roku 1858 Williama Gregory’ego). Był też profesorem fizyki w Royal College of Science w South Kensington. Jego asystentem był William Barrett, później sir W. Barrett, FRS.