Томас був єдиним спадкоємцем свого батька, і проте торгівля не надто його вабила. Тому батько і запропонував йому богословський факультет. У 1819 р. Грем-молодший вступив до богословського відділення університету в Глазго. Студентом регулярно відвідував лекції з хімії доктора Томаса Томсона (лорда Кельвіна). Поступово він дійшов висновку, «що хімія найцікавіша наука, якій варто присвятити життя. Вміння працювати з речовинами, вивчати їх взаємодії, добувати нові, нікому невідомі сполуки, відкривати закономірності, яким підкоряються хімічні реакції», — ось його справжня дорога у житті, пише про вченого К. Манолов.

Т. Грем багато працював, тож у 1824 р. одержав ступінь магістра. Свої перші кроки з вивчення властивостей газів він почав у лабораторії доктора Хоупа в Единбурзькому університеті, який славився добрими фахівцями-медиками.

У 1826 р. у «Філософських літописах» була надрукована перша стаття Т. Грема про адсорбцію газів рідинами. Свій перший гонорар (6 фунтів) він витратив на подарунок матері, аби віддячити за її безмежну любов, ніжність та турботу.

Томас був струнким, красивим, добре вихованим юнаком, мав багато друзів, серед них — професор Леслі, філософ, літератор та мовознавець. Бесіди з ним допомогли молодому Грему глибше пізнати навколишній світ.

У 1828 р. Томас повернувся до рідного Глазго, давав уроки хімії та математики. Він продовжував дослідження газів, його турбували питання взаємопроникнення газів крізь пористі перетинки, наприклад глиняні. Перші результати досліджень було опубліковано в «Квартальному журналі науки» в 1829 р. Досліди проводились з надутими свинячими міхурами, які поміщали в посудини з вуглекислим газом. Т. Грем використовував і каучукові мембрани. Заповнював гумові повітряні кульки повітрям, які згодом здувалися. Він з'ясував, що після стискання в кульці в основному залишається азот, тобто кисень краще проникає крізь пори гуми, хоча його маса трохи більша за масу азоту. Отже, каучукова мембрана проникна тільки для кисню.

У той час Т Грем приятелював з доктором Кларком, після смерті якого продовжив його роботу із солями фосфатної кислоти. У лабораторії доктора Кларка молодий учений завершив свою працю над дифузією газів крізь пористу перетинку. Цю якісну залежність він перетворив на математичну і відкрив закон: швидкість дифузії газу обернено пропорційна кореню квадратному з його молекулярної маси. Закон підтверджується банальним прикладом з надутими повітряними кульками. Якщо одну надути гелієм (М_г = 4), а другу — повітрям (М_г= 29), то перша кулька здується упродовж 12 год, а друга здатна «протриматись» декілька днів. Закон Грема був застосований при конструюванні космічних кораблів, призначених для тривалого перебування людини в космосі. Через деякий час повітря просочуватиметься крізь матеріал, з якого зроблено корпус корабля.

Паралельно із працею над дифузією газів Т. Грем завершив дослідження з окиснення фосфору та встановив, що в присутності дуже малої кількості деяких газів окиснення фосфору уповільнюється. Це перший приклад негативного каталізу, хоча поняття «каталіз» Й. Я. Берцеліус увів лише через п'ять років після відкриття.

У 1833 р. вийшла в світ стаття Т. Грема про багатоосновність кислот. Установлено, що один і той самий оксид, сполучаючись з різною кількістю води, утворює різні кислоти. Вчений, досліджуючи солі фосфатної кислоти, одержав фосфатну кислоту нового типу. Вона утворила безбарвні кристали і легко спричиняла коагуляцію розчинів альбумінів. Т. Грем назвав її метафосфатною кислотою, а солі — метафосфатами.

Праця вченого, присвячена орто-, мета- та піро- фосфатній кислотам, примусила переглянути водневу теорії кислот, запропоновану Т. Деві, а також заклала фундамент теорії багатоосновних кислот. Юстус Лібіх продовжив дослідження й успішно пристосував цю теорію до органічних кислот.

У 1837 р. Т. Грем став професором хімії Університетського коледжу в Лондоні, а також членом Лондонського королівського товариства — об'єднання науковців.

Поширивши методи дослідження газів на рідини, зокрема й на розчини, вчений відкрив осмотичний ефект, хоча закони осмосу було сформульовано лише через 20 років ботаніком В. Пфеффером.

У 1842 р. Т. Грема обрано президентом Англійського хімічного товариства. З 1855 р. і до кінця життя він працював у лабораторії Монетного двору. Вчений був добре знайомий з М. Фарадеєм, який винайшов золь золота і першим спостерігав розсіювання світла. Т. Грем досліджував властивості зол я золота та інших металів.

Т. Грема вважають «батьком» колоїдної хімії. Займаючись вивченням розчинів, він виявив, що розчини таких речовин, як клей, желатин, яєчний білок та інші, мають деякі особливості. Це речовини в розчиненому стані не можуть проникати крізь тваринну перетинку (наприклад, бичачий міхур) або пергаментний папір. При цьому розчини цукру, кухонної солі легко проникають крізь перетинку. Т. Грем поділив усі речовини на дві групи: кристалоїди, які утворюють кристали, та колоїди (в перекладі з грецької кoλλа — клей), що не утворюють кристали, аморфні. Терміни «золь» і «гель» у 1864 р. також запропонував англійський учений. Гель — це розчин колоїдної речовини, при охолодженні має здатність до згущення, а золь- рідина, яка утворюється під час нагрівання геля. Т. Грем установив, що колоїдні розчини не дифундують крізь перетинку, а кристалоїдні — дифундують. Для очищення колоїдних розчинів від солей учений застосував метод, у якому використовував блюдце, дном якого слугувала напівпроникна мембрана. Блюдце плавало у ванні, де постійно поновлювалася вода, поки в блюдці залишався абсолютно чистий колоїдний розчин, з якого можна було виділити речовину. Цей метод очищення вчений назвав діалізом (від грецького — виділення, завершення). Таким чином, він одержав оксиди Феруму, Силіцію, Алюмінію, вольфрамову та молібденову кислоти.

Т. Грем помилявся, поділивши речовини на колоїди та кристалоїди. Нині доведено, що будь-яка речовина в певних умовах може бути як колоїдом, так і кристалоїдом. Наприклад, кухонна сіль (кристалоїд) у бензеновому розчині виявляє властивості колоїду. Отже, колоїди та кристалоїди — не різні класи речовин, а різний стан тієї самої речовини.

Не маючи власної сім'ї, вчений повністю віддавався роботі в лабораторії. Відкриття Анрі Сен-Клер Девіля спонукало його до нових досліджень - вивчення дифузії газів крізь напівпроникні перетинки, якими слугували метали. Т. Грем вивчав проникність водню крізь паладієву пластинку. Експеримент показав, що водень має сильновиражені магнітні властивості й розглядати його треба як метал. Паладій, платина та інші метали поглинали водень. Це явище було названо оклюзією.

Помер Томас Грем 11.09.1869 р. у Лондоні. Блискучі відкриття англійського вченого XIX ст. сприяли дослідженням нових явищ і подальшому розвитку хімії, фізики та біології.