1928 nahm er eine Stelle als wissenschaftlicher Assistent von A.M. Tyndall im H.H. Wills Physical Laboratory an der University of Bristol an, wurde später zum Dozenten ernannt und 1948 zum Melville Wills Professor für Physik ernannt. 1936 nahm er an einer Expedition nach Westindien im Rahmen einer Studie zur vulkanischen Aktivität teil und erscheint auf einer in Grenada ausgegebenen Briefmarke.Während seiner Zeit an der Universität Bristol beschäftigte sich Powell mit der Entwicklung von Techniken zur Messung der Mobilität positiver Ionen, der Bestimmung der Art der Ionen in gewöhnlichen Gasen und der Konstruktion und Verwendung eines Cockcroft-Generators zur Untersuchung der Streuung von Atomkernen. Er begann auch, Methoden zu entwickeln, die spezialisierte fotografische Emulsionen verwendeten, um die Aufzeichnung der Spuren von Elementarteilchen zu erleichtern, und begann 1938, diese Technik auf das Studium der kosmischen Strahlung anzuwenden, indem er fotografische Platten in großer Höhe, auf den Gipfeln der Berge und mit speziell entworfenen Ballons belichtete und an der Studie mit Giuseppe Occhialini, H. Muirhead und dem jungen brasilianischen Physiker César Lattes zusammenarbeitete. Diese Arbeit führte 1946 zur Entdeckung des Pion (Pi-Meson), das sich als das hypothetische Teilchen erwies, das 1935 von Yukawa Hideki in seiner Theorie der Kernphysik vorgeschlagen wurde.
1949 wurde Powell zum Fellow der Royal Society gewählt und erhielt im selben Jahr die Hughes-Medaille der Society. 1950 erhielt er den Nobelpreis für Physik „für seine Entwicklung der fotografischen Methode zur Untersuchung von Kernprozessen und seine Entdeckungen in Bezug auf Mesonen, die mit dieser Methode gemacht wurden“. César Lattes arbeitete zum Zeitpunkt der Entdeckung mit ihm zusammen und hatte die Empfindlichkeit der fotografischen Emulsion verbessert. Debendra Mohan (DM) Bose (Neffe von Sir J.C. Bose) und Chowdhuri veröffentlichte drei aufeinanderfolgende Papiere in der Natur, konnte aber nicht weiter weitere Untersuchungen wegen „Nichtverfügbarkeit von empfindlicheren Emulsionsplatten während der Kriegsjahre. Sieben Jahre nach dieser Entdeckung von Mesonen durch DM Bose und Bibha Chowdhuri machte CF Powell die gleiche Entdeckung von Pionen und Myonen und weiteren Zerfall von Myonen zu Elektronen … mit der gleichen Technik „. Er räumte in seinem Buch ein: „1941 hatten Bose und Chaudhuri (sic) darauf hingewiesen, dass es im Prinzip möglich ist, zwischen den Spuren von Protonen und Mesonen in einer Emulsion zu unterscheiden … Sie kamen zu dem Schluss, dass viele der in ihren Platten verhafteten geladenen Teilchen leichter waren als Protonen, ihre mittlere Masse war … die physikalische Grundlage ihrer Methode war korrekt und ihre Arbeit stellt den ersten Ansatz für die Streumethode dar, Momente geladener Teilchen durch Beobachtung ihrer Spuren in Emulsion zu bestimmen“. Tatsächlich lag die von Bose und Chowdhuri gemessene Masse des Partikels sehr nahe an dem von Powell gemessenen akzeptierten Wert, der verbesserte „Vollton“ -Platten verwendete. Ab 1952 wurde Powell zum Direktor mehrerer Expeditionen nach Sardinien und in die Poebene in Italien ernannt, bei denen Höhenballonflüge durchgeführt wurden.1955 fügte Powell, ebenfalls Mitglied der World Federation of Scientific Workers, dem Russell-Einstein-Manifest von Bertrand Russell, Albert Einstein und dem Wissenschaftler Joseph Rotblat seine Unterschrift hinzu und war an den Vorbereitungen für die erste Pugwash-Konferenz über Wissenschaft und Weltgeschehen beteiligt. Wie Rotblat es ausdrückte: „Cecil Powell war das Rückgrat der Pugwash-Bewegung. Er gab ihm Kohärenz, Ausdauer und Vitalität.“ Powell leitete die Sitzungen des Pugwash Continuing Committee, trat oft für Bertrand Russell ein und nahm bis 1968 an Sitzungen teil.1961 erhielt Powell die Royal Medal und war in diesem Jahr Mitglied des Scientific Policy Committee der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), und 1967 erhielt er die Lomonossow-Goldmedaille von der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (jetzt Russische Akademie der Wissenschaften) „für herausragende Leistungen in der Physik der Elementarteilchen“.
