1928 tillträdde han en tjänst som forskningsassistent till A. M. Tyndall i H. H. Wills Physical Laboratory vid University of Bristol, senare utnämnd till föreläsare och 1948 utnämnd till Melville Wills Professor i fysik. År 1936 deltog han i en expedition till Västindien som en del av en studie av vulkanaktivitet, och där han visas på en stämpel utfärdad i Grenada.under sin tid vid Bristol University tillämpade Powell sig på utvecklingen av tekniker för att mäta rörligheten hos positiva joner, för att fastställa jonernas natur i vanliga gaser och för konstruktion och användning av en Cockcroft-generator för att studera spridningen av atomkärnor. Han började också utveckla metoder som använder specialiserade fotografiska emulsioner för att underlätta inspelningen av spåren av elementära partiklar, och 1938 började tillämpa denna teknik för att studera kosmisk strålning, exponera fotografiska plattor på hög höjd, på toppen av bergen och använda specialdesignade ballonger, samarbetar i studien med Giuseppe Occhialini, H. Muirhead och unga brasilianska fysiker C Kazaksar Lattes. Detta arbete ledde 1946 till upptäckten av pionen (pi-meson), som visade sig vara den hypotetiska partikeln som Yukawa Hideki föreslog 1935 i sin teori om kärnfysik.
1949 valdes Powell till stipendiat i Royal Society och fick föreningens Hughes-medalj samma år. 1950 tilldelades han Nobelpriset för fysik”för sin utveckling av den fotografiska metoden för att studera kärnprocesser och hans upptäckter angående mesoner gjorda med denna metod”. C avsugar Lattes arbetade med honom vid tidpunkten för upptäckten och hade förbättrat känsligheten hos den fotografiska emulsionen. Debendra Mohan (DM) Bose (brorson till Sir J. C. Bose) och Chowdhuri publicerade tre på varandra följande artiklar i Nature, men kunde inte fortsätta ytterligare utredning på grund av ”icke-tillgänglighet av mer känsliga emulsionsplattor under krigsåren. Sju år efter denna upptäckt av mesoner av DM Bose och Bibha Chowdhuri, gjorde C. F. Powell samma upptäckt av pioner och muoner och ytterligare sönderfall av muoner till elektroner… med samma teknik”. Han erkände i sin bok, ”1941 hade Bose och Chaudhuri (sic) påpekat att det i princip är möjligt att skilja mellan spåren av protoner och mesoner i en emulsion… de drog slutsatsen att många av de laddade partiklarna som arresterades i deras plattor var lättare än protoner, deras genomsnittliga massa var … den fysiska grunden för deras metod var korrekt och deras arbete representerar det första tillvägagångssättet för spridningsmetoden för att bestämma momenta av laddade partiklar genom observation av deras spår i emulsion”. Faktum är att den uppmätta massan av partikeln av Bose och Chowdhuri var mycket nära det accepterade värdet mätt av Powell som använde förbättrade ”Fullton”-plattor. Från 1952 utsågs Powell till chef för flera expeditioner till Sardinien och Po Valley, Italien, med hög höjd ballongflygningar.1955 lade Powell, även medlem av World Federation of Scientific Workers, sin signatur till Russell-Einstein-manifestet fram av Bertrand Russell, Albert Einstein och forskaren Joseph Rotblat, och var inblandad i förberedelserna för den första Pugwash-konferensen om vetenskap och världsfrågor. Som Rotblat uttryckte det, ” Cecil Powell har varit ryggraden i Pugwash-rörelsen. Han gav det koherens, uthållighet och vitalitet.”Powell var ordförande för mötena i Pugwash Continuing Committee, ofta stående för Bertrand Russell, och deltog i möten fram till 1968.
1961 fick Powell den kungliga medaljen och tjänstgjorde i Scientific Policy Committee of European Organization for Nuclear Research (CERN) det året och 1967 tilldelades han Lomonosovs guldmedalj av Vetenskapsakademin i Sovjetunionen (nu ryska vetenskapsakademin) ”för enastående prestationer i fysik av elementära partiklar”.
