Lovelock získal doktorát z medicíny a svou kariéru zahájil prováděním kryoprezervačních experimentů na hlodavcích, včetně úspěšného rozmrazování zmražených vzorků. Jeho metody měly vliv na teorie kryoniky (kryokonzervace lidí). Vynalezl detektor elektronového záchytu a s jeho pomocí jako první zjistil širokou přítomnost chlor-fluorované uhlovodíků v atmosféře. Při navrhování vědeckých přístrojů pro NASA navrhl teorii Gaia.