Em 1928, ele assumiu um cargo de Assistente de Investigação de A. M. Tyndall no H. H. Wills physical Laboratory, na Universidade de Bristol, sendo posteriormente nomeado professor, e, em 1948, nomeado Melville Vontades Professor de Física. Em 1936, participou de uma expedição às Índias Ocidentais como parte de um estudo da atividade vulcânica, e onde aparece em um selo emitido em Granada.
Durante seu tempo na Universidade de Bristol, Powell, aplicou-se ao desenvolvimento de técnicas para medir a mobilidade dos íons positivos, para estabelecer a natureza dos íons em comum de gases, e para a construção e utilização de um gerador de Cockcroft para estudar a dispersão de núcleos atômicos. Ele também começou a desenvolver métodos que empregam especializados emulsões fotográficas para facilitar a gravação de uma das faixas de partículas elementares, e, em 1938, começou a aplicar essa técnica para o estudo da radiação cósmica, expondo as chapas fotográficas em alta altitude, no topo de montanhas e usando especialmente concebidos balões, colaborando no estudo com Giuseppe Occhialini, H. Muirhead e jovem físico Brasileiro César Lattes. Este trabalho levou em 1946 à descoberta do pion (pi-meson), que provou ser a partícula hipotética proposta em 1935 por Yukawa Hideki em sua teoria da física nuclear.
em 1949 Powell foi eleito membro da Royal Society e recebeu a Medalha Hughes da sociedade no mesmo ano. Em 1950 foi agraciado com o Nobel de Física “por seu desenvolvimento do método fotográfico de estudar processos nucleares e suas descobertas sobre mésons feitos com este método”. César Lattes estava trabalhando com ele na época da descoberta e tinha melhorado a sensibilidade da emulsão fotográfica. Debendra Mohan (DM) Bose (sobrinho de Sir J. C. Bose) e Chowdhuri publicaram três trabalhos consecutivos na natureza, mas não puderam continuar a investigação por causa da “Não disponibilidade de placas de emulsão mais sensíveis durante os anos de guerra”. Sete anos após esta descoberta de mésons por DM Bose e Bibha Chowdhuri, C. F. Powell fez a mesma descoberta de píons e muons e mais decaimento de múons para elétrons… usando a mesma técnica”. Ele reconheceu, em seu livro, “Em 1941, Bose e Chaudhuri (sic) apontou que é possível, em princípio, distinguir entre as faixas de prótons e mésons em uma emulsão… Eles concluíram que muitas das partículas carregadas presos em suas placas eram mais leves que os prótons, sua média de massa … a base física de seu método estava correto, e a sua obra representa a primeira abordagem para o método de dispersão de determinar a momentos de partículas carregadas através da observação de suas faixas em emulsão”. Na verdade, a massa medida da partícula por Bose e Chowdhuri estava muito perto do valor aceito medido por Powell, que usou placas “full-tone” melhoradas. A partir de 1952 Powell foi nomeado diretor de várias expedições à Sardenha e ao Vale do pó, Itália, utilizando vôos de balão de alta altitude.em 1955, Powell, também membro da Federação Mundial de trabalhadores científicos, adicionou sua assinatura ao Manifesto Russell-Einstein apresentado por Bertrand Russell, Albert Einstein e o cientista Joseph Rotblat, e esteve envolvido nos preparativos para a Primeira Conferência Pugwash sobre Ciência e Assuntos Mundiais. Como Rotblat disse, ” Cecil Powell tem sido a espinha dorsal do movimento Pugwash. Deu-lhe coerência, resistência e vitalidade. Powell presidiu as reuniões do Comitê de continuidade Pugwash, muitas vezes representando Bertrand Russell, e participou de reuniões até 1968.
Em 1961 Powell recebeu a Medalha Real, e servido em Política Científica Comitê da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN) ano, e, em 1967, ele foi premiado com o Lomonosov, a Medalha de Ouro da Academia de Ciências da URSS (hoje Academia russa de Ciências) “para realizações de destaque na física de partículas elementares”.
