En 1761, Priestley s'installe à Warrington pour y prendre son poste de professeur de langues modernes et de rhétorique à l’Academy. Il aurait préféré les mathématiques et la philosophie naturelle, mais la ville l'accueille avec sympathie et il s'y fait rapidement des amis. Le 23 juin 1762, il épouse Mary Wilkinson, de Wrexham. Commentant son mariage, Priestley écrira :
Le 17 avril 1763, naît une fille qui reçoit le prénom de Sarah, en hommage à la tante qui a élevé son père.
Tous les livres que publie Priestley à Warrington placent au premier plan l'étude de l'histoire, essentielle à ses yeux pour assurer la réussite matérielle et l'accomplissement religieux. Celle des sciences et du christianisme tend à recenser et valoriser les progrès de l'humanité ce qui, paradoxalement, entraîne une certaine dépréciation du pur « christianisme primitif ».
Dans son Essay on a Course of Liberal Education for Civil and Active Life (1765), Lectures on History and General Policy (1788) et d'autres ouvrages, Priestley soutient que l'éducation de la jeunesse doit anticiper et prendre en considération ses futurs besoins matériels. Ce principe d'utilité conditionne son choix d'un programme non conventionnel pour ceux de ses étudiants qui aspirent à s'intégrer à la classe moyenne : ainsi, il recommande l'étude des langues modernes, plutôt que classiques, et de l'histoire moderne, de préférence à celle de l'Antiquité.
Les conférences que Priestley donne sur l'histoire ont un véritable caractère révolutionnaire : il traite d'une histoire providentialiste et naturaliste, faisant valoir que l'étudier favorise la compréhension des lois naturelles de Dieu. En outre, sa perspective millénariste est étroitement liée à son optimisme concernant le progrès scientifique et l'accomplissement de l'humanité : pour lui, chaque époque et chaque génération sont meilleures que les précédentes, et l'étude de l'histoire permet à la fois de prendre conscience de ce progrès et d'y participer.
Démarche insolite à l'époque, Priestley préconise également l'éducation des femmes de la classe moyenne. Certains spécialistes de l'éducation le classent parmi les meilleurs auteurs anglais de cette discipline, entre John Locke au XVIIe siècle et Herbert Spencer au XIXe siècle. Lectures on History est bien accueilli et est utilisé dans de nombreux établissements d'enseignement, tels que le New College de Hackney, Brown, Princeton, Yale et Cambridge. Comme soutien visuel à ses conférences, Priestley met au point deux schémas qui restent populaires pendant des décennies. Les administrateurs de Warrington sont si favorablement impressionnés par ses conférences et ses schémas qu'ils recommandent à l'université d'Édimbourg de lui décerner un doctorat en droit, ce qui est fait en 1764.
La stimulante atmosphère intellectuelle de Warrington, qu'au XVIIIe siècle on surnomme fréquemment l'« Athènes du Nord », favorise l'intérêt croissant de Priestley pour la philosophie naturelle. Il donne des conférences sur l'anatomie et réalise des expériences sur la température avec son collègue et ami John Seddon. De plus, malgré sa lourde charge de travail, il décide de rédiger une histoire de l'électricité. Certains amis lui présentent les principaux chercheurs de la Grande-Bretagne en ce domaine, John Canton, William Watson, et un visiteur, Benjamin Franklin, qui tous l'encouragent à réaliser les expériences qu'il désire inclure dans son historique. Dans un premier temps, il en reproduit certaines, mais s'apercevant que plusieurs questions restent sans réponse, il entreprend d'en concevoir de nouvelles pour les élucider. Impressionnés par ses schémas et le manuscrit de son histoire de l'électricité, Canton, Franklin, Watson et Richard Price proposent la candidature de Priestley à une bourse de la Royal Society, qu'il obtient en 1766.
En 1767, sont publiées les sept cents pages de The History and Present State of Electricity (Histoire et état actuel de l'électricité) dont l'accueil s'avère aussitôt favorable. La première moitié de l'ouvrage consiste en une histoire de l'étude de l'électricité jusqu'en 1766 ; la seconde et la plus importante présente une description des théories contemporaines et élabore des pistes de recherche. Dans cette deuxième section, Priestley fait état de certaines de ses propres découvertes, telles que la conductivité du charbon de bois et autres substances, ainsi que le continuum entre conducteurs et isolants.
Cette dernière découverte bouleverse ce qu'il décrit comme étant « l'une des premières et plus universelles idées reçues concernant l'électricité », à savoir que seule l'eau et les métaux sont conducteurs. Ses expériences sur les propriétés électriques des matériaux et les effets électriques des transformations chimiques montrent l'intérêt croissant qu'il porte à la relation existant entre substances chimiques et électricité. Sur la base d'expériences réalisées avec des sphères chargées électriquement, Priestley est le premier à avancer l'idée que la force électrique suit une loi en carré inverse, semblable à celle de Newton sur la gravitation universelle. Cependant, il ne met pas au point la formule elle-même, qui est énoncée dans les années 1780 par le physicien français Charles Augustin de Coulomb et connue depuis sous le nom de « loi de Coulomb ».
La grande force de Priestley, en tant que philosophe naturel, repose sur la qualité de ses recherches, plutôt que sur leur quantité. Son étude sur le « courant d'air » entre deux points chargés électriquement, par exemple, sera reprise par Michael Faraday et James Clerk Maxwell dans leurs recherches sur l'électromagnétisme. Le texte de Priestley devient, durant un siècle, l'ouvrage de référence sur l'histoire de l'électricité : tant Alessandro Volta, l'inventeur de la pile électrique, que William Herschel, qui découvrit le rayonnement infrarouge, ou Henry Cavendish, qui isola l'hydrogène, tous se réclament de lui. En 1768, Priestley écrit aussi une version de vulgarisation de son ouvrage intitulée A Familiar Introduction to the Study of Electricity.