V roce 1928 vzal místo jako Výzkumný Asistent na A. M. Tyndall v h. H. Wills Fyzikální Laboratoř na University of Bristol, později byl jmenován docentem a v roce 1948 jmenován Melville Závěti Profesor Fyziky. V roce 1936 se zúčastnil expedice do Západní Indie jako součást studie sopečné činnosti a kde se objevuje na známce vydané v Grenadě.
Během svého času na Bristol University, Powell se věnoval vývoji metod pro měření pohyblivost kladných iontů, stanovení povahu ionty v běžných plynů, a k výstavbě a použití Cockcroft generátor ke studiu rozptylu na atomových jader. On také začal rozvíjet metody využívající specializované fotografické emulze pro usnadnění nahrávání skladeb z elementárních částic, a v roce 1938 začal uplatňovat tuto techniku pro studium kosmického záření, vystavuje fotografické desky ve vysoké nadmořské výšky, na vrcholcích hor, a použití speciálně navržen tak, balónky, spolupracuje ve studii s Giuseppe Occhialini, H. Muirhead a mladý Brazilský fyzik César Latté. Tato práce vedla v roce 1946 k objevu pionu (pi-meson), který se ukázal jako hypotetická částice navržená v roce 1935 Yukawa Hideki ve své teorii jaderné fyziky.
v roce 1949 byl Powell zvolen členem Královské společnosti a téhož roku obdržel Hughesovu medaili. V roce 1950 mu byla udělena Nobelova Cena za Fyziku „za jeho vývoj fotografické metody studia jaderných procesů a jeho objevy týkající se mezonů s touto metodou“. César Lattes s ním v době objevu pracoval a zlepšil citlivost fotografické emulze. Debendra Mohan (DM) Bose (synovec Sira J. C. Bose) a Chowdhuri vydal tři po sobě jdoucí papíry v Přírodě, ale nemohl pokračovat v dalším vyšetřování na účet „non-dostupnost více citlivé emulze desky během válečných let. Sedm let po tomto objevu mezony tím, DM Bose a Bibha Chowdhuri, C. F. Powell učinil stejný objev piony a miony a další rozpad mionů na elektrony… stejnou technikou“. Přiznal ve své knize, „V roce 1941 Bose a Čaudharí (sic) poukázala na to, že je možné v zásadě rozlišit mezi stopy protonů a mezonů v emulzi… došli k závěru, že mnoho nabitých částic zatčen v jejich desky byly lehčí než protony, jejich průměrná hmotnost je … fyzický základ jejich metody byly správné a jejich práce představuje první přístup k rozptylu metoda určení hybnosti nabitých částic při pozorování jejich stopy v emulzi“. Ve skutečnosti byla naměřená hmotnost částice Bose a Chowdhuri velmi blízká přijaté hodnotě měřené Powellem, který použil vylepšené desky“ full-tone“. Od roku 1952 byl Powell jmenován ředitelem několika expedic na Sardinii a údolí Po v Itálii, využívajících lety balónem ve vysokých nadmořských výškách.
V roce 1955, Powell, také člen Světové Federace Vědeckých Pracovníků, přidal svůj podpis k Russell-Einstein Manifest, který předložila Bertrand Russell, Albert Einstein a vědec Joseph Rotblat, a byl zapojený do přípravy na první Pugwash Konference o Vědě a Světových Záležitostech. Jak řekl Rotblat, “ Cecil Powell byl páteří hnutí Pugwash.“. Dal mu soudržnost, vytrvalost a vitalitu.“Powell předsedal zasedáním pokračujícího výboru Pugwash, často stál za Bertrandem Russellem, a účastnil se schůzek až do roku 1968.
V roce 1961 Powell obdržel Královskou Medaili, a podává o Vědeckém Výboru pro Politiku Evropské Organizace pro Jaderný Výzkum (CERN), který roku, a v roce 1967 mu byla udělena Lomonosov Zlatou Medaili Akademie Věd SSSR (nyní ruská Akademie Věd) „za vynikající výsledky ve fyzice elementárních částic“.
