吉布斯是美国杰出的物理学家，1858年，他毕业于耶鲁大学，接着攻读该大学的研究生课程。1863年，他取得美国首批博士学位，留校讲授拉丁文和自然哲学。1866～1869年，他去欧洲进修，回国后一直在耶鲁大学任教，1871年被任命为数理教授。
吉布斯在数学和物理学方面均有广泛的研究。1873～1878年，他发表了被称为是“吉布斯热力学三部曲”的3篇论文，即“流体热力学的图示法”、“借助曲面描述热力学性质的几何方法”以及“非均匀物质的平衡”。由于他出色的工作，热力学成为一个完整严密的理论体系。1902年，吉布斯发表了巨著《统计力学的基本原理》，创立了统计系综的方法，建立起经典平衡态统计力学的系统理论，对统计力学给出了适用任何宏观物体的最彻底、最完整的形式。
吉布斯在光学和电磁理论的研究上也有建树，并为此建立了矢量分析的方法。吉布斯被美国科学院以及欧洲14个科学机构选为院士，并接受过一些名誉学衔和奖赏。1881年，他荣获美国最高科学奖——冉福特奖。
“吉布斯热力学三部曲”是人类科学史上伟大的作品，让我们来了解和分析一下它。
1950年，纽约大学的美国伟人堂里增加了一座铜像，这就是杰出科学家吉布斯的半身青铜像，这座铜像与美国的其他历史名人林肯、华盛顿、爱迪生等相并立，吉布斯被誉为美国第一位著名的理论物理学家和科学家。1923年，荣获诺贝尔物理学奖的美国物理学家密立根曾经这样评论道：“吉布斯是不朽的，因为他是一位深刻的、无与伦比的分析家。他对于统计力学及热力学所做的工作，相当于拉普拉斯对于天体力学、麦克斯韦对于电动力学所做的一切，因为他把自己的科学领域变成了一个几乎完善的理论结构。”事实也正是如此，在热力学尤其是统计物理学的历史上，都记载着吉布斯的名字。
吉布斯早年在唯象的热力学研究上颇有成就。在1873～1878年间，他发表了3篇热力学方面的论文，这3篇论文包含了他对热力学的主要贡献。他明确认为熵是一个基本概念，概括了热力学第一、第二定律，并以此为出发点，推动了热力学的发展。他引入了不同的平面熵图，利用几何方法来表示热力学的过程和性质，创立了几何热力学。尤为突出的是他的关于“非均匀物质的平衡”的论文，他在论文里以分析的方法，严格解决了多项物质的平衡条件和稳定问题，把热力学占据的领域大大拓展，把化学、弹性、表面、电磁以及电化学等现象都包括在一个单独的系统内。更重要的是吉布斯找到了所谓的“热力势”的方法，只要找到“热力势”，通过简单的微分法就可找出体系的全部热力学性质，这个方法以后成为研究热力学的一个根本方法。
吉布斯的工作具有重要的意义，通过他的工作，热力学演化为一个严密、完整的理论体系和一整套的研究方法，产生了无数新的成果，派生出不少边缘学科，对科学的影响至今不息。
尽管吉布斯在唯象的热力学研究上已经取得了很大的成功，但他从来不骄傲自满，而是在科学的道路上继续默默地前进着。他认识到采用形式化的热力势方法只不过是解决问题的一种手段而已，而这种形式最终只能由实验来确定，不能由热力学理论本身来确定。吉布斯期望能用力学术语来说明热现象，他把希望寄托在物质的分子运动论上。
17世纪，分子运动论取得初步发展，然而没能受到充分的重视，尤其是18世纪中叶之后，热质说一度占据上风，分子运动论受到普遍冷落。在19世纪中叶，热之唯动说得到了恢复，热力学第一定律的建立使许多人相信热不是一种物质，而是能量的一种形式。热是组成物质微粒的运动动能，这有力地推动了分子运动论向定量化和系统化发展，一批著名的物理学家，如克劳修斯、玻尔兹曼和麦克斯韦对气体分子运动论进行了研究并取得了一系列成果。
吉布斯在19世纪80年代就强调了分子观念的重要性，他仔细钻研了克劳修斯、玻尔兹曼和麦克斯韦等人的工作，认为：“由经验确定的热力学定律表达的是大量粒子组成的体系之近似的行为。更确切地说，热力学定律表达的是这种体系的力学定律。”“热力学的合理基础建立在力学的一个分支上”，吉布斯把这个分支称为统计力学。
吉布斯关于统计力学的考虑由来已久。在他的“热力学三部曲”里，已做出过“熵不可能不得到补偿而减少”的结论。到19世纪80年代末90年代初，吉布斯已明确形成了要写一部统计力学专著的打算。1892年，他在给友人的信中谈及了这一打算，他说：“统计力学的原则意义将在于它对热力学的应用——因此符合于麦克斯韦与玻尔兹曼著作的线索。”直到1900年秋，吉布斯才有时间投入到《统计力学的基本原理》一书的写作中去。1902年，这一名著作为耶鲁大学200周年的纪念丛书之一出版了。它的出版，表明吉布斯一生的科学事业达到了又一个高峰。
在《统计力学的基本原理》一书中，吉布斯改进和发展了麦克斯韦、玻尔兹曼的统计方法，建立起完整的系综理论，使统计物理学从气体分子运动论中升华出来，成为一门原则上可应用于任何物理系统的独立的统计力学科学。
吉布斯首先提出了“系综”这一术语，他认为用系综观念可以避开关于物质结构的种种假设的严重困难。在麦克斯韦和玻尔兹曼关于分子运动的研究中，不得不对分子结构和分子之间的相互作用做出具体的假设。他们的处理方法是先把整体分成各个部分，然后再综合为整体。吉布斯一开始就从整体进行考察，他把整体作为更大的整体——系综的一个部分来考察，从而避开了关于系统的内部结构等困难。
吉布斯用广义坐标和广义动量来描述系统中分子的状态，用相空间描述系统的状态，考察系统在相中的分布，导出了所谓的相密度原理，表示组成系综体系的点在相空间里的运动，就像不可压缩的流体一样，既不能收缩，也不能扩张，只能改变形状。吉布斯以此解决了热力学体系的平衡态问题。为描述处于热平衡态的物理体系，吉布斯提出了3种稳定系综：正则系综、微正则系综以及巨正则系综。同时，他还发展了统计平均、统计涨落和统计相似3种方法。他应用一套完整的相似理论，用严密的逻辑程序从力学推出了热力学的全部结论，为温度、熵、自由能等热力学量找到了统计力学中的相似物。依照相似理论，找到自由能的形式，进而得到各热力学量、状态方程和平衡条件等，这就把统计力学与热力学结合起来了，成为统计热力学。
吉布斯卓有成效地从力学与统计物理学推导出了热力学的经验定理，实现了统计力学的体系化。前人所获得的成果成为这一理论体系的一部分。吉布斯的统计力学体系应用到各种具体问题上，使各类热学问题获得了解决。他甚至还导出了热力学中经典的能量按自由度均分定理以及重力场中质点系按高度的密度分布定律。吉布斯取得的成就令世人瞩目。统计物理学的奠基人玻尔兹曼在1904年的一次国际会议上深切悼念一年前去世的吉布斯，他满怀敬意地说：“使这门学科系统化，以严谨的著作叙述它，并赋予它一个富有特色的名字，这些荣誉都属于美国最伟大的物理学家之一，也许是抽象思维及理论研究领域最伟大的人物之一——不久前去世的耶鲁大学教授威拉德·吉布斯。他把这门学科称为统计力学。”
吉布斯建立的统计系综理论赢得了世人的认可和巨大的成功，就统计系综理论本身而言，有两个主导思想值得关注。其一是“为了某些目的，对问题做概括的考察是值得向往的”。这里的“目的”指的是“用力学原理对热力学的定律做出解释”、“概括的考察”指“统计的探究”。吉布斯把对大量粒子组成的力学体系的研究方法概括为两种，一种是牛顿力学的方法，即“通常的观点”；另一种是“统计的探究”。吉布斯明确地指出，用“通常的观点”解释热力学是困难的，统计方法是必要的、唯一能奏效的方法，这是吉布斯的指导思想。其二是“要回避最严重的困难……放弃编造关于物体结构假说的企图，从事统计的探究”。吉布斯有一句格言，叫做“整体比部分简单”。一次他在解释为什么自己力求对所研究的现象做最一般的概括，而不要求详细说明机制时，还说过“整数比分数简单”这句富有哲理的名言。由此可见，他研究系综是很自然的。
从思想方法来说，吉布斯的理论也具有重要的指导意义。处在吉布斯以前的人们在研究一个体系的整体性质时，常常采取把整体分为局部，然后再综合为整体的方法，而吉布斯却是考察系统——一组虚构的全同体系，把整体作为更大整体中的局部加以考虑。吉布斯巧妙地回避了考察物质结构的困难，他的系综统计框架甚至当微观客体具有量子本性时仍可使用。控制论的创始人维纳这样高度评价吉布斯的思想方法：“吉布斯的革新就在于他不是考虑一个世界，而是考虑能回答有关我们周围环境的为数有限的一组问题的全部世界。他的中心思想在于我们对一组新世界所能给出的问题，答案在范围更大的一组世界中。”
吉布斯的系综理论提出了考察偶然事件的明确科学方法，他研究的出发点和方法背离了牛顿严格的力学决定论。他的统计理论是关于概率分布的因果律，而不是力学因果律。他首先提出了另一种形式的决定论。
吉布斯不愧为一个伟大思想的变革者。