1928 – ban vette fel a posztot, mint kutatási asszisztens A. M. Tyndall a H. H. Wills Fizikai Laboratórium a University of Bristol, később kinevezett előadó, és 1948-ban kinevezett Melville Wills fizika professzora. 1936-ban részt vett egy nyugat-indiai expedícióban a vulkáni tevékenység tanulmányozásának részeként, ahol Grenadában kiadott bélyegzőn szerepel.
a Bristoli Egyetemen töltött ideje alatt Powell alkalmazta magát a pozitív ionok mobilitásának mérésére szolgáló technikák kifejlesztésére, az ionok természetének megállapítására a közönséges gázokban, valamint egy Cockcroft generátor felépítésére és használatára az atommagok szétszóródásának tanulmányozására. Ő is elkezdett olyan módszereket alkalmazó speciális fényképészeti emulziók, hogy megkönnyítse a felvétel a pályák elemi részecskék, és 1938-ban kezdte alkalmazni ezt a technikát, hogy a tanulmány a kozmikus sugárzás, kiteszik fényképészeti lemezek nagy magasságban, a hegyek tetején, és a speciálisan tervezett léggömbök, együttműködve a tanulmány Giuseppe Occhialini, H. Muirhead és a fiatal brazil fizikus C ons Lattes. Ez a munka 1946-ban a pion (pi-meson) felfedezéséhez vezetett, amely 1935-ben Yukawa Hideki által a nukleáris fizika elméletében javasolt hipotetikus részecskének bizonyult.
1949-ben Powell-t a Royal Society tagjává választották, és ugyanabban az évben megkapta a Társaság Hughes-érmét. 1950-ben fizikai Nobel-díjat kapott “a nukleáris folyamatok tanulmányozásának Fotográfiai módszerének kifejlesztéséért és a mezonokkal kapcsolatos felfedezéseiért”. A felfedezés idején együtt dolgozott vele, és javította a fényképészeti emulzió érzékenységét. Debendra Mohan (DM) Bose (unokaöccse Sir J. C. Bose) és Chowdhuri megjelent három egymást követő papírok Nature, de nem tudta folytatni a további vizsgálatot miatt “nem áll rendelkezésre érzékenyebb emulziós lemezek a háborús években. Hét évvel azután, hogy DM Bose és Bibha Chowdhuri felfedezte a mezonokat, C. F. Powell ugyanezt a felfedezést tette a pionokról és a müonokról, valamint a müonok további elektronokká történő bomlását… ugyanazzal a technikával”. “1941-ben Bose és Chaudhuri (sic) rámutattak, hogy elvileg lehetséges különbséget tenni a protonok és a mezonok nyomai között egy emulzióban… arra a következtetésre jutottak, hogy a lemezeikben letartóztatott töltött részecskék közül sok könnyebb volt, mint a protonok, átlagos tömegük … módszerük fizikai alapja helyes volt, és munkájuk az első megközelítés a töltött részecskék momentumának meghatározására szolgáló szórási módszerhez az emulzióban lévő nyomok megfigyelésével”. Valójában a Bose és Chowdhuri által mért részecske tömege nagyon közel állt ahhoz az elfogadott értékhez, amelyet Powell mért, aki javított “teljes tónusú” lemezeket használt. 1952-től Powellt nevezték ki több expedíció igazgatójává Szardínia és a Po völgy, Olaszország, nagy magasságú ballon repülések felhasználásával.1955-ben Powell, aki szintén a tudományos dolgozók Világszövetségének tagja volt, aláírta a Bertrand Russell, Albert Einstein és Joseph Rotblat tudós által előterjesztett Russell-Einstein kiáltványt, és részt vett az első Pugwash konferencia előkészítésében a tudományról és a világ ügyeiről. Ahogy Rotblat fogalmazott: “Cecil Powell volt a Pugwash mozgalom gerince. Következetességet, kitartást és vitalitást adott neki.”Powell vezette a Pugwash Continuing Committee üléseit, gyakran Bertrand Russell helyett állt, és 1968-ig részt vett az üléseken.
1961-ben Powell megkapta a királyi érmet, és abban az évben az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) tudományos politikai bizottságában szolgált, 1967-ben pedig a Szovjetunió Tudományos Akadémiája (ma Orosz Tudományos Akadémia) elnyerte a Lomonoszov aranyérmet “az elemi részecskék fizikájában elért kiemelkedő eredményekért”.
