w 1928 objął stanowisko asystenta naukowego A. M. Tyndalla w H. H. Wills Physical Laboratory na Uniwersytecie w Bristolu, później został mianowany wykładowcą, a w 1948 mianowany profesorem fizyki Melville 'a Wills’ a. W 1936 roku wziął udział w wyprawie do Indii Zachodnich w ramach badania aktywności wulkanicznej, gdzie widnieje na znaczku wydanym w Grenadzie.
podczas studiów na Uniwersytecie w Bristolu Powell zajmował się rozwojem technik pomiaru mobilności jonów dodatnich, ustalaniem natury jonów w zwykłych gazach oraz budową i wykorzystaniem generatora Cockcrofta do badania rozpraszania jąder atomowych. Zaczął również opracowywać metody wykorzystujące specjalistyczne emulsje fotograficzne, aby ułatwić rejestrację śladów cząstek elementarnych, a w 1938 roku zaczął stosować tę technikę do badań promieniowania kosmicznego, eksponując płyty fotograficzne na dużych wysokościach, na szczytach gór i za pomocą specjalnie zaprojektowanych balonów, współpracując w badaniach z Giuseppe Occhialini, H. Muirhead i młodym brazylijskim fizykiem Césarem Lattesem. Prace te doprowadziły w 1946 roku do odkrycia pionu (Pi-mezonu), który okazał się hipotetyczną cząstką zaproponowaną w 1935 roku przez Yukawę Hideki w jego teorii fizyki jądrowej.
w 1949 Powell został wybrany członkiem Royal Society i w tym samym roku otrzymał Hughes Medal Towarzystwa. W 1950 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za opracowanie fotograficznej metody badania procesów jądrowych i odkrycia dotyczące mezonów dokonane tą metodą”. César Lattes pracował z nim w momencie odkrycia i poprawił czułość emulsji fotograficznej. Debendra Mohan (DM) Bose (bratanek Sir J. C. Bose) i Chowdhuri opublikowali trzy kolejne prace w Nature, ale nie mogli kontynuować dalszych badań z powodu „niedostępności bardziej wrażliwych płytek emulsyjnych w latach wojny. Siedem lat po odkryciu mezonów przez DM Bose i Bibha Chowdhuri, C. F. Powell dokonał tego samego odkrycia pionów i mionów oraz dalszego rozpadu mionów na elektrony … przy użyciu tej samej techniki”. Przyznał w swojej książce, „w 1941 roku Bose i Chaudhuri (sic) zwrócili uwagę, że w zasadzie możliwe jest rozróżnienie pomiędzy śladami protonów i mezonów w emulsji… doszli do wniosku, że wiele naładowanych cząstek zatrzymanych w ich płytkach było lżejszych niż protony, ich średnia masa była … fizyczna podstawa ich metody była poprawna, a ich praca reprezentuje pierwsze podejście do metody rozpraszania określania pędu naładowanych cząstek poprzez obserwację ich śladów w emulsji”. W rzeczywistości zmierzona masa cząstki przez Bose ’ a i Chowdhuriego była bardzo zbliżona do zaakceptowanej wartości zmierzonej przez Powella, który użył ulepszonych płytek „pełnotonowych”. Od 1952 Powell był dyrektorem kilku wypraw na Sardynię i Dolinę Padu we Włoszech, wykorzystując loty balonowe na dużych wysokościach.
w 1955 roku Powell, również członek Światowej Federacji pracowników naukowych, dodał swój podpis do manifestu Russella-Einsteina przedstawionego przez Bertranda Russella, Alberta Einsteina i naukowca Josepha Rotblata i był zaangażowany w przygotowania do pierwszej konferencji Pugwash na temat nauki i spraw światowych. Jak ujął to Rotblat: „Cecil Powell był trzonem ruchu Pugwash. Nadał mu spójność, wytrzymałość i witalność.”Powell przewodniczył posiedzeniom Komitetu Pugwash Continuing Committee, często zastępując Bertranda Russella i uczestniczył w posiedzeniach do 1968 roku.
w 1961 r.Powell otrzymał Królewski Medal i w tym samym roku zasiadał w Komitecie Polityki Naukowej Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), a w 1967 r. został odznaczony Złotym Medalem im. Łomonosowa przez Akademię Nauk ZSRR (obecnie Rosyjska Akademia Nauk) „za wybitne osiągnięcia w fizyce cząstek elementarnych”.
