En 1928, il a occupé un poste d’assistant de recherche auprès de A.m. Tyndall au Laboratoire de physique de H.H. Wills à l’Université de Bristol, où il a ensuite été nommé maître de conférences et, en 1948, Professeur de physique à Melville Wills. En 1936, il participe à une expédition aux Antilles dans le cadre d’une étude de l’activité volcanique, et où il figure sur un timbre émis à la Grenade.

Pendant son séjour à l’Université de Bristol, Powell s’est appliqué au développement de techniques de mesure de la mobilité des ions positifs, à l’établissement de la nature des ions dans les gaz communs, et à la construction et à l’utilisation d’un générateur de Cockcroft pour étudier la diffusion des noyaux atomiques. Il a également commencé à développer des méthodes utilisant des émulsions photographiques spécialisées pour faciliter l’enregistrement des traces de particules élémentaires, et en 1938 a commencé à appliquer cette technique à l’étude du rayonnement cosmique, exposant des plaques photographiques à haute altitude, au sommet des montagnes et à l’aide de ballons spécialement conçus, collaborant à l’étude avec Giuseppe Occhialini, H. Muirhead et le jeune physicien brésilien César Lattes. Ce travail a conduit en 1946 à la découverte du pion (pi-méson), qui s’est avéré être la particule hypothétique proposée en 1935 par Yukawa Hideki dans sa théorie de la physique nucléaire.

Banc commémoratif et plaque dédiée à Powell sur le site de sa mort dans les contreforts des Alpes, en Italie.

En 1949, Powell est élu membre de la Royal Society et reçoit la médaille Hughes de la société la même année. En 1950, il a reçu le Prix Nobel de physique « pour son développement de la méthode photographique d’étude des processus nucléaires et ses découvertes concernant les mésons faites avec cette méthode ». César Lattes travaillait avec lui au moment de la découverte et avait amélioré la sensibilité de l’émulsion photographique. Debendra Mohan (DM) Bose (neveu de Sir J.C. Bose) et Chowdhuri ont publié trois articles consécutifs dans Nature, mais n’ont pas pu poursuivre leurs recherches en raison de « la non-disponibilité de plaques d’émulsion plus sensibles pendant les années de guerre. Sept ans après cette découverte de mésons par DM Bose et Bibha Chowdhuri, C.F. Powell a fait la même découverte de pions et de muons et a poursuivi la désintégration des muons en électrons using en utilisant la même technique « . Il a reconnu dans son livre, « En 1941, Bose et Chaudhuri (sic) avaient souligné qu’il était possible, en principe, de distinguer les traces de protons et de mésons dans une émulsion They Ils ont conclu que beaucoup des particules chargées arrêtées dans leurs plaques étaient plus légères que les protons, leur masse moyenne étant … la base physique de leur méthode était correcte et leurs travaux représentent la première approche de la méthode de diffusion pour déterminer la momenta des particules chargées par observation de leurs traces en émulsion ». En fait, la masse mesurée de la particule par Bose et Chowdhuri était très proche de la valeur acceptée mesurée par Powell qui a utilisé des plaques « full-tone » améliorées. À partir de 1952, Powell est nommé directeur de plusieurs expéditions en Sardaigne et dans la vallée du Pô, en Italie, utilisant des vols en montgolfière à haute altitude.

En 1955, Powell, également membre de la Fédération Mondiale des Travailleurs Scientifiques, a ajouté sa signature au Manifeste Russell-Einstein proposé par Bertrand Russell, Albert Einstein et le scientifique Joseph Rotblat, et a participé aux préparatifs de la première Conférence de Pugwash sur la Science et les Affaires mondiales. Comme l’a dit Rotblat, « Cecil Powell a été l’épine dorsale du mouvement Pugwash. Il lui a donné cohérence, endurance et vitalité. »Powell a présidé les réunions du Comité permanent de Pugwash, remplaçant souvent Bertrand Russell, et a assisté aux réunions jusqu’en 1968.

En 1961, Powell a reçu la Médaille Royale et a siégé au Comité de Politique scientifique de l’Organisation Européenne pour la Recherche nucléaire (CERN) cette année-là, et en 1967, il a reçu la Médaille d’Or Lomonossov de l’Académie des Sciences de l’URSS (aujourd’hui Académie des Sciences de Russie) « pour ses réalisations exceptionnelles en physique des particules élémentaires ».