En 1928 ocupó un puesto como Asistente de Investigación de A. M. Tyndall en el Laboratorio Físico de H. H. Wills en la Universidad de Bristol, más tarde fue nombrado profesor, y en 1948 nombrado Profesor de Física de Melville Wills. En 1936 participó en una expedición a las Indias Occidentales como parte de un estudio de la actividad volcánica, y donde aparece en un sello emitido en Granada.
Durante su tiempo en la Universidad de Bristol, Powell se dedicó al desarrollo de técnicas para medir la movilidad de los iones positivos, a establecer la naturaleza de los iones en gases comunes y a la construcción y uso de un generador de Cockcroft para estudiar la dispersión de núcleos atómicos. También comenzó a desarrollar métodos que empleaban emulsiones fotográficas especializadas para facilitar el registro de las huellas de partículas elementales, y en 1938 comenzó a aplicar esta técnica al estudio de la radiación cósmica, exponiendo placas fotográficas a gran altitud, en las cimas de las montañas y utilizando globos especialmente diseñados, colaborando en el estudio con Giuseppe Occhialini, H. Muirhead y el joven físico brasileño César Lattes. Este trabajo condujo en 1946 al descubrimiento del pion (pi-mesón), que resultó ser la partícula hipotética propuesta en 1935 por Yukawa Hideki en su teoría de la física nuclear.
En 1949 Powell fue elegido miembro de la Royal Society y recibió la Medalla Hughes de la sociedad el mismo año. En 1950 fue galardonado con el Premio Nobel de Física «por su desarrollo del método fotográfico para estudiar los procesos nucleares y sus descubrimientos sobre los mesones hechos con este método». César Lattes estaba trabajando con él en el momento del descubrimiento y había mejorado la sensibilidad de la emulsión fotográfica. Debendra Mohan (DM) Bose (sobrino de Sir J.C. Bose) y Chowdhuri publicaron tres artículos consecutivos en Nature, pero no pudieron continuar con la investigación debido a la «no disponibilidad de placas de emulsión más sensibles durante los años de guerra». Siete años después de este descubrimiento de mesones por DM Bose y Bibha Chowdhuri, C. F. Powell hizo el mismo descubrimiento de piones y muones y una mayor desintegración de muones en electrones using usando la misma técnica». Reconoció en su libro, «En 1941, Bose y Chaudhuri (sic) habían señalado que es posible, en principio, distinguir entre las huellas de protones y mesones en una emulsión concluded Concluyeron que muchas de las partículas cargadas detenidas en sus placas eran más ligeras que los protones, siendo su masa media the la base física de su método era correcta y su trabajo representa el primer enfoque al método de dispersión para determinar los momentos de las partículas cargadas mediante la observación de sus huellas en emulsión». De hecho, la masa medida de la partícula por Bose y Chowdhuri estaba muy cerca del valor aceptado medido por Powell, quien usó placas mejoradas de «tono completo». Desde 1952, Powell fue nombrado director de varias expediciones a Cerdeña y el Valle del Po, Italia, utilizando vuelos en globo a gran altitud.
En 1955, Powell, también miembro de la Federación Mundial de Trabajadores Científicos, añadió su firma al Manifiesto Russell-Einstein presentado por Bertrand Russell, Albert Einstein y el científico Joseph Rotblat, y participó en los preparativos de la primera Conferencia Pugwash sobre Ciencia y Asuntos Mundiales. Como dijo Rotblat, » Cecil Powell ha sido la columna vertebral del Movimiento Pugwash. Le dio coherencia, resistencia y vitalidad. Powell presidió las reuniones del Comité de Continuación Pugwash, a menudo sustituyendo a Bertrand Russell, y asistió a las reuniones hasta 1968.
En 1961 Powell recibió la Medalla Real, y sirvió en el Comité de Política Científica de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) ese año, y en 1967 fue galardonado con la Medalla de Oro Lomonosov por la Academia de Ciencias de la URSS (ahora Academia de Ciencias de Rusia) «por logros sobresalientes en la física de partículas elementales».
