Lovell uzyskał w 1936 doktorat z fizyki, prowadząc następnie badania nad promieniowaniem kosmicznym. Podczas wojny pracował w przemyśle zbrojeniowym przy konstruowaniu radarów dla okrętów wojennych i samolotów.

Po jej zakończeniu wznowił działalność naukową w obserwatorium Jodrell Bank w hrabstwie Cheshire, które pierwotnie było placówką wydziału botaniki uniwersytetu w Manchesterze. Lovell wybrał tę lokalizację ze względu na niski poziom zakłóceń radioelektrycznych w porównaniu z samym Manchesterem, gdzie kursowały wtedy liczne tramwaje.

Zaprojektował największy wówczas w świecie - a obecnie trzeci co do wielkości - ruchomy radioteleskop, który zaczął działać w Jodrell Bank w 1957 roku. Dziś nosi on nazwę Teleskopu Lovella. Przy pomocy tego urządzenia zaobserwowano m.in. rakietę nośną pierwszego radzieckiego sputnika.

Lovell był autorem licznych publikacji naukowych i popularnonaukowych, w tym napisanej wspólnie z żoną Joyce książki "Odkrywanie dalekiego wszechświata", która ukazała się w 1966 roku w tłumaczeniu polskim.