vuonna 1928 hän siirtyi A. M. Tyndallin Tutkimusapulaiseksi Bristolin yliopiston H. H. Wills Physical Laboratoryyn, josta hänet myöhemmin nimitettiin luennoitsijaksi ja vuonna 1948 Melville Willsin fysiikan professoriksi. Vuonna 1936 hän osallistui tutkimusmatkalle Länsi-Intiaan osana vulkaanisen toiminnan tutkimusta, ja siellä hän esiintyy Grenadassa julkaistussa postimerkissä.
opiskeluaikanaan Bristolin yliopistossa Powell paneutui positiivisten ionien liikkuvuuden mittaustekniikoiden kehittämiseen, yhteisten kaasujen ionien luonteen selvittämiseen sekä Cockcroft-generaattorin rakentamiseen ja käyttöön atomiytimien sironnan tutkimiseen. Hän alkoi myös kehittää menetelmiä, joissa käytetään erikoistuneita valokuvausemulsioita alkeishiukkasten kappaleiden tallentamisen helpottamiseksi, ja vuonna 1938 hän alkoi soveltaa tätä tekniikkaa kosmisen säteilyn tutkimukseen, paljastaen Valokuvauslevyt korkealla vuorten huipuilla ja käyttäen erityisesti suunniteltuja ilmapalloja, yhteistyössä Giuseppe Occhialinin, H. Muirheadin ja nuoren brasilialaisen fyysikon César Lattesin kanssa. Tämä työ johti vuonna 1946 pionin (pi-meson) löytämiseen, joka osoittautui Yukawa Hidekin ydinfysiikan teoriassaan vuonna 1935 ehdottamaksi hypoteettiseksi hiukkaseksi.
vuonna 1949 Powell valittiin Royal Societyn jäseneksi ja hän sai samana vuonna seuran Hughes-mitalin. Vuonna 1950 hänelle myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto ”ydinprosessien tutkimisen valokuvausmenetelmän kehittämisestä ja tällä menetelmällä tehdyistä mesoneita koskevista löydöistä”. César Lattes työskenteli löytöhetkellä hänen kanssaan ja oli parantanut valokuvausemulsion herkkyyttä. Debendra Mohan (DM) Bose (Sir J. C. Bosen veljenpoika) ja Chowdhuri julkaisivat kolme perättäistä artikkelia Nature-lehdessä, mutta eivät voineet jatkaa lisätutkimuksia, koska ”herkempiä emulsiolevyjä ei ollut saatavilla sotavuosina. Seitsemän vuotta sen jälkeen, kun DM Bose ja Bibha Chowdhuri löysivät mesonit, C. F. Powell teki saman löydön pioneista ja myoneista ja hajosivat edelleen elektroneiksi… käyttäen samaa tekniikkaa”. Hän myönsi kirjassaan, ”vuonna 1941 Bose ja Chaudhuri (sic) olivat huomauttaneet, että on periaatteessa mahdollista erottaa protonien ja mesonien jäljet emulsiossa… he päättelivät, että monet niiden levyjen varatut hiukkaset olivat kevyempiä kuin protonit, niiden keskimääräinen massa oli … heidän menetelmänsä fysikaalinen perusta oli oikea ja heidän työnsä edustaa ensimmäistä lähestymistapaa sirontamenetelmään, jolla määritetään varattujen hiukkasten momenta tarkkailemalla niiden kappaleita emulsiossa”. Itse asiassa Bosen ja Chowdhurin hiukkasen mitattu massa oli hyvin lähellä hyväksyttyä arvoa, jonka Powell mittasi käyttäen paranneltuja ”full-tone” – levyjä. Vuodesta 1952 Powell nimitettiin useiden tutkimusretkien johtajaksi Sardiniaan ja Po-joen laaksoon Italiaan hyödyntäen korkealla lentäviä kuumailmapallolentoja.
vuonna 1955 Powell, joka oli myös tieteellisten työntekijöiden maailmanliiton jäsen, lisäsi allekirjoituksensa Bertrand Russellin, Albert Einsteinin ja tiedemies Joseph Rotblatin esittämään Russell-Einstein-manifestiin ja oli mukana valmistelemassa ensimmäistä Pugwashin tiedettä ja maailman asioita käsittelevää konferenssia. Kuten Rotblat asian ilmaisi, ” Cecil Powell on ollut Pugwash-liikkeen selkäranka. Hän antoi sille johdonmukaisuutta, kestävyyttä ja elinvoimaa.”Powell toimi Pugwashin jatkuvan komitean puheenjohtajana, usein Bertrand Russellin sijaisena, ja osallistui kokouksiin vuoteen 1968 saakka.
vuonna 1961 Powell sai kuninkaallisen mitalin ja toimi samana vuonna Euroopan Ydintutkimusjärjestön (CERN) Tiedepoliittisessa komiteassa, ja vuonna 1967 hän sai Neuvostoliiton tiedeakatemian (nykyisin Venäjän tiedeakatemia) Lomonosovin kultamitalin ”merkittävistä saavutuksista alkeishiukkasten fysiikassa”.
