Egy londoni gázszerelő fiaként látta meg a napvilágot. Tanulmányait a második világháború alatt a német bombázások miatti kitelepítések zavarták meg. Nem is jutott be a jobb iskolákba, egyik tanára pedig azt mondta: nem neki való a tudomány.
Mansfield 15 évesen nyomdászinasnak állt, és csak 18 évesen, katonai szolgálata alatt kezdett újra tanulni. Esti tagozaton két év alatt leérettségizett, s beiratkozott a londoni Queen Mary Egyetem fizika szakára. 26 évesen megszerezte alapdiplomáját, diplomamunkája egy hordozható, tranzisztoros spektrométer elkészítése volt. Szakdolgozata olyan jól sikerült, hogy témavezető professzora felvette a mágneses (mag)rezonanciát (NMR) kutató csoportjába. 1962-ben megszerezte a PhD-fokozatot, és ösztöndíjat kapott az Illinois-i Egyetemre. 1964-től a Nottinghami Egyetemen tanított és kutatott, s múlhatatlan érdemeket szerzett a mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) kidolgozásában.
A mágneses magrezonancia jelenségét 1938-ban írták le: ez a különböző atommagok azon tulajdonsága, hogy a rájuk jellemző mágneses tulajdonságokkal rendelkező térben képesek a sugárzási frekvencia elnyelésére, majd a jel megszűnte után a többletenergia leadása következtében azonos vagy kissé eltérő frekvenciájú rádióhullámú jelet sugároznak vissza. Az eljárás az 1970-es évekig az anyag szerkezeti részeiről nem szolgált információval, de 1970-ben az amerikai Raymond Damadian kimutatta, hogy MRI segítségével a rákos szövetek elkülöníthetők az egészségesektől.
Mansfield és amerikai kutatótársa, Paul C. Lauterbur továbbfejlesztette a technikát: Lauterbur fedezte fel, hogy kétdimenziós kép nyerhető a mágneses mezőben előidézett ingadozásokkal, Mansfield pedig azt mutatta ki, hogy az emberi test által a mágneses mező hatására kibocsátott jelzések matematikailag elemezhetők, ezzel lehetővé tette a hasznos képalkotó technika kifejlesztését. Az MRI-technika során „apró rádióadókká” alakítják a testszövetekben levő hidrogénatomokat (a testtömeg zömét kitevő víz alkotóelemeit), s ezen atomok nyomon követésével a tomográf meg tudja rajzolni a belső szervek képét.