În 1928 a preluat un post de asistent de cercetare la A. M. Tyndall în laboratorul fizic H. H. Wills de la Universitatea din Bristol, fiind numit ulterior lector, iar în 1948 numit Melville Wills profesor de Fizică. În 1936 a participat la o expediție în Indiile de Vest ca parte a unui studiu al activității vulcanice și unde apare pe o ștampilă emisă în Grenada.în timpul petrecut la Universitatea din Bristol, Powell s-a implicat în dezvoltarea tehnicilor de măsurare a mobilității ionilor pozitivi, în stabilirea naturii ionilor din gazele comune și în construirea și utilizarea unui generator Cockcroft pentru a studia împrăștierea nucleelor atomice. De asemenea, a început să dezvolte metode care utilizează emulsii fotografice specializate pentru a facilita înregistrarea urmelor particulelor elementare, iar în 1938 a început să aplice această tehnică studiului radiației cosmice, expunând plăci fotografice la mare altitudine, în vârfurile munților și folosind baloane special concepute, colaborând la studiu cu Giuseppe Occhialini, H. Muirhead și tânărul fizician Brazilian c Lattes de la un nivel înalt. Această lucrare a condus în 1946 la descoperirea pionului (pi-meson), care s-a dovedit a fi particula ipotetică propusă în 1935 de Yukawa Hideki în teoria sa de Fizică Nucleară.
În 1949 Powell a fost ales membru al Societății Regale și a primit Medalia Hughes a societății în același an. În 1950 a primit Premiul Nobel pentru Fizică „pentru dezvoltarea metodei fotografice de studiere a proceselor nucleare și a descoperirilor sale cu privire la mezonii făcuți cu această metodă”. C Lattes a lucrat cu el la momentul descoperirii și a îmbunătățit sensibilitatea emulsiei fotografice. Debendra Mohan (DM) Bose (nepotul lui Sir J. C. Bose) și Chowdhuri a publicat trei lucrări consecutive în natură, dar nu a putut continua investigații suplimentare din cauza „indisponibilitatea plăcilor emulsie mai sensibile în timpul anilor de război. La șapte ani după această descoperire a mezonilor de către DM Bose și Bibha Chowdhuri, C. F. Powell a făcut aceeași descoperire a pionilor și a muonilor și a degradării ulterioare a muonilor în electroni… folosind aceeași tehnică”. El a recunoscut în cartea sa: „în 1941, Bose și Chaudhuri (Sic) au subliniat că este posibil, în principiu, să se facă distincția între urmele protonilor și mezonilor într-o emulsie… au concluzionat că multe dintre particulele încărcate arestate în plăcile lor erau mai ușoare decât protonii, masa lor medie fiind … baza fizică a metodei lor a fost corectă și munca lor reprezintă prima abordare a metodei de împrăștiere a determinării momentei particulelor încărcate prin observarea urmelor lor în emulsie”. De fapt, masa măsurată a particulei de către Bose și Chowdhuri a fost foarte apropiată de valoarea acceptată măsurată de Powell care a folosit plăci îmbunătățite „cu ton complet”. Din 1952 Powell a fost numit director al mai multor expediții în Sardinia și Valea Po, Italia, folosind zboruri cu baloane la mare altitudine.în 1955, Powell, de asemenea membru al Federației Mondiale a lucrătorilor științifici, și-a adăugat semnătura la Manifestul Russell-Einstein prezentat de Bertrand Russell, Albert Einstein și omul de știință Joseph Rotblat și a fost implicat în pregătirile pentru prima conferință Pugwash despre știință și Afaceri Mondiale. După cum a spus Rotblat, ” Cecil Powell a fost coloana vertebrală a mișcării Pugwash. El ia dat coerență, rezistență și vitalitate.”Powell a prezidat ședințele Comitetului continuu Pugwash, de multe ori în locul lui Bertrand Russell și a participat la întâlniri până în 1968.
în 1961 Powell a primit Medalia regală și a servit în Comitetul de politică științifică al Organizației Europene pentru Cercetări Nucleare (CERN) în acel an, iar în 1967 a primit Medalia de aur Lomonosov de către Academia de științe a URSS (acum Academia Rusă de științe) „pentru realizări remarcabile în fizica particulelor elementare”.
