Nel 1928 ha assunto un posto come assistente di ricerca di A. M. Tyndall nel H. H. Wills Physical Laboratory presso l’Università di Bristol, in seguito essere nominato docente, e nel 1948 nominato Melville Wills Professore di Fisica. Nel 1936 prese parte a una spedizione nelle Indie Occidentali come parte di uno studio sull’attività vulcanica, e dove appare su un francobollo emesso a Grenada.
Durante il suo periodo all’Università di Bristol, Powell si applicò allo sviluppo di tecniche per misurare la mobilità degli ioni positivi, per stabilire la natura degli ioni nei gas comuni e per la costruzione e l’uso di un generatore di Cockcroft per studiare la dispersione dei nuclei atomici. Iniziò anche a sviluppare metodi che impiegavano emulsioni fotografiche specializzate per facilitare la registrazione delle tracce di particelle elementari, e nel 1938 iniziò ad applicare questa tecnica allo studio della radiazione cosmica, esponendo lastre fotografiche ad alta quota, in cima a montagne e utilizzando palloni appositamente progettati, collaborando allo studio con Giuseppe Occhialini, H. Muirhead e il giovane fisico brasiliano César Lattes. Questo lavoro portò nel 1946 alla scoperta del pione (pi-mesone), che si rivelò essere l’ipotetica particella proposta nel 1935 da Yukawa Hideki nella sua teoria della fisica nucleare.
Nel 1949 Powell fu eletto membro della Royal Society e ricevette la Medaglia Hughes della society lo stesso anno. Nel 1950 gli fu assegnato il Premio Nobel per la Fisica “per il suo sviluppo del metodo fotografico di studio dei processi nucleari e le sue scoperte riguardanti i mesoni realizzati con questo metodo”. César Lattes stava lavorando con lui al momento della scoperta e aveva migliorato la sensibilità dell’emulsione fotografica. Debendra Mohan (DM) Bose (nipote di Sir J. C. Bose) e Chowdhuri pubblicato tre documenti consecutivi su Nature, ma non poteva continuare ulteriori indagini a causa della “non disponibilità di piastre di emulsione più sensibili durante gli anni della guerra. Sette anni dopo questa scoperta di mesoni da parte di DM Bose e Bibha Chowdhuri, CF Powell fece la stessa scoperta di pioni e muoni e un ulteriore decadimento dei muoni in elettroni using usando la stessa tecnica”. Egli ha riconosciuto nel suo libro, “Nel 1941, Bose e Chaudhuri (sic) aveva fatto notare che è possibile, in linea di principio, di distinguere tra le tracce dei protoni e dei mesoni in un’emulsione… Hanno concluso che molte delle particelle cariche arrestati nelle loro tavole sono più leggeri rispetto a quella del protone, la loro media massa … la base fisica del loro metodo è stato corretto e il loro lavoro rappresenta il primo approccio al metodo di dispersione di determinare la quantità di moto di particelle cariche attraverso l’osservazione dei loro brani in emulsione”. In effetti, la massa misurata della particella da Bose e Chowdhuri era molto vicina al valore accettato misurato da Powell che ha usato piastre “full-tone” migliorate. Dal 1952 Powell fu nominato direttore di diverse spedizioni in Sardegna e nella Pianura Padana, utilizzando voli in mongolfiera ad alta quota.
Nel 1955, Powell, anche membro della Federazione Mondiale dei lavoratori scientifici, aggiunse la sua firma al Manifesto Russell-Einstein presentato da Bertrand Russell, Albert Einstein e lo scienziato Joseph Rotblat, e fu coinvolto nei preparativi per la prima Conferenza Pugwash sulla scienza e gli affari mondiali. Come Rotblat ha detto, ” Cecil Powell è stato la spina dorsale del movimento Pugwash. Gli ha dato coerenza, resistenza e vitalità. Powell presiedette le riunioni del Pugwash Continuing Committee, spesso in sostituzione di Bertrand Russell, e partecipò alle riunioni fino al 1968.
Nel 1961 Powell ricevette la Medaglia reale e fece parte del Comitato di politica scientifica dell’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) quell’anno, e nel 1967 fu insignito della Medaglia d’oro Lomonosov dall’Accademia delle Scienze dell’URSS (ora Accademia russa delle Scienze) “per risultati eccezionali nella fisica delle particelle elementari”.
