Во время учебы в Харроу и Тринити-колледже (Кембридж) опубликовал много статей в области математики, астрономии и физики. В 1833-34 служил в Парламенте.
Толбот пытался копировать виды природы с помощью камеры-обскуры. Но он не обладал навыками рисования. Поэтому ему захотелось зафиксировать изображение, которое он видел в камере-обскуре. Толбот знал о том, что свет может воздействовать на свойства различных материалов, и изобрел такой светочувствительный материал. Для этого он погружал лист бумаги в слабый раствор соли, а затем в раствор нитрата серебра. При этом в бумаге образовывался хлорид серебра и она становилась светочувствительной.
В 1835 Толбот с помощью камеры делал снимки на своей светочувствительной бумаге, пропитанной хлористым серебром. Так он получил первый в мире негатив. К нему он прикладывал другой такой же лист бумаги и засвечивал их. Так Толбот сделал позитивный отпечаток. Первые снимки были темными, нечеткими и пятнистыми, а чувствительность его бумаги была очень низкой.
В январе 1839 Толбот узнал о том, что в Академии наук в Париже Араго сделал сообщение об изобретении Л. Дагера - дагерротипе. Это побудило Толбота опубликовать сообщение о своем процессе. В конце января того же 1839 он попросил Фарадея показать на заседании Лондонского Королевского общества свои работы, а 31 января 1839 сделал там доклад "Некоторые выводы об искусстве фотогеничного рисунка, или о процессе, с помощью которого предметы природы могут нарисовать сами себя без помощи карандаша художника". Он боялся, что изобретение Дагера окажется таким же, как его собственное, и не хотел потерять свой приоритет. При этом Толбот не осознавал, что Дагер разработал совершенно другой процесс.
Джон Гершель назвал изобретение Толбота фотографией и пустил в обращение слова "негатив" и "позитив".
В 1840 Толбот изменил и улучшил свой процесс. Это позволило ему делать фотографии за несколько минут. Он назвал свой процесс калотипией (от греч. слов kalos - красивый и typos - отпечаток), впоследствии ему было дано название толботипия.
Проявлял он бумагу в кислоте, затем (по совету Джона Гершеля) фиксировал изображение в растворе гипосульфита, промывал негатив в чистой воде, высушивал и натирал воском, делая его прозрачным. С помощью солнечного света он делал с негатива контактные отпечатки на хлоросеребряной бумаге. В 1841 он запатентовал этот процесс, а в 1842 получил медаль Королевского Общества за эксперименты с калотипией.
Калотипия Толбота и дагерротипия Дагера имели принципиальные различия. В дагерротипе сразу получалось позитивное, зеркально отраженное изображение на серебряной пластине. Это упрощало процесс, но делало невозможным получение копий. В калотипии сначала изготовлялся негатив, с которого можно было сделать любое количество позитивных отпечатков. Поэтому калотипия намного ближе к современной фотографии, несмотря на то что качество дагерротипов было намного выше, чем калотипов.
В 1844-46 Толбот издал первый альбом "Карандаш природы" с фотографическими художественными иллюстрациями - видами природы и архитектуры.
В 1851 Толбот разработал метод мгновенной фотографии и запатентовал его в 1852 и 1858. Он использовал при печати стальные пластины и марлевые экраны для получения полутонов и явился предшественником разработанных в 1880-х гг. качественных полутоновых фотопластин.
Патенты Толбота, его претензии на приоритет во всех видах фотографии и судебные процессы по этому поводу объективно тормозили дальнейшее развитие фотографии в Шотландии, Франции и других странах.