从化学训练到仪器研究
阿斯顿在伯明翰的梅森学院学习化学与物理，早期研究涉及酒石酸衍生物，也曾在酿酒厂担任化学工作。他后来转向低压气体放电，对真空泵和实验装置的设计积累了经验。这一路径说明，他日后测定原子质量所依靠的不只是理论判断，还有制作、调试与控制仪器条件的能力。
在伯明翰的放电研究中，他辨认了后来以其姓氏命名的暗区。1909年末，J. J. 汤姆孙邀请他到剑桥卡文迪许实验室研究正射线。阿斯顿的工作由此进入带电粒子在电场和磁场中运动的研究传统，并不是从零开始的一次孤立发明。
氖的两种质量与协作背景
汤姆孙的装置把正离子束在照相底片上留下的轨迹用于分析。轨迹不仅与粒子质量有关，也受电荷和速度影响。阿斯顿改进装置后，两人对氖的研究得到两条不同轨迹，这为同一种非放射性元素包含不同质量原子提供了证据，但当时对结果的解释仍有疑问。
第一次世界大战打断了研究。阿斯顿在范堡罗从事航空材料方面的工作，1919年返回卡文迪许实验室，继续追究氖的组成。这里需要区分观测到分开的谱线与制备大量分离的同位素：分析装置能够辨认不同离子，并不意味着已经完成工业规模的同位素分离。
质谱仪如何改善测量
阿斯顿的质谱仪把电场和磁场放在不同位置，利用它们对离子运动的不同影响实现聚焦，减少入射速度分散造成的谱线展宽。较集中、清晰的记录提高了比较质量的能力，使氖中质量约为20和22的两种组分得到更可靠的识别。
这种方法直接分析的是带电粒子的运动。因此，把某条谱线解释成某个原子的质量，还需要辨别电荷状态和粒子种类。仪器的价值在于把此前难以分辨的差别转成可重复比较的实验记录，而不是像宏观天平那样直接称量一个中性原子。阿斯顿随后持续改进仪器，并将研究扩展到其他元素。
整数规则及其边界
阿斯顿发现，在当时采用的相对质量标度上，同位素质量通常接近整数。这一整数规则是一项经验概括，不是声称所有同位素的实际质量严格等于整数，也不是要求化学元素的平均原子量必为整数。元素含有不同同位素时，其整体平均值与单个同位素的质量并不是同一量。
更精密的测量恰恰使对整数的微小偏离成为研究对象。后来对原子核结合能的认识说明，质量差异具有物理意义，不能一律作为测量误差抹去。与此同时，后来的中子模型并非阿斯顿最初的解释；其早期成果出现时，中子尚未被发现。
贡献与后续发展
阿斯顿获得1922年诺贝尔化学奖，并通过《同位素》等著作整理研究。他的持久贡献，是把稳定同位素的辨识、相对质量测量和仪器精度提升结合起来，使原子内部结构的讨论受到更多定量证据约束。
他的研究承接汤姆孙的正射线工作，后来的质谱技术又经过其他研究者发展出新的离子源、分析器和应用。因而，阿斯顿是质谱学及同位素测量的重要奠基者，今天的质谱技术则由他和其他研究者的工作共同发展而来。1945年他在剑桥去世，留下的是一套不断以更高精度检验既有规律的实验路线。