Efectuà notables treballs sobre els raigs X, els quals aconseguí de polaritzar totalment en col·laboració amb C.H. Hagenow. Són bàsiques les seves investigacions sobre els raigs còsmics, dels quals observà l’existència de dos grups amb poders de penetració molt diferents. El 1927 compartí el premi Nobel de física amb Charles Thomson Rees Wilson per l’estudi del fenomen que porta el seu nom, descobert el 1923. Durant la Segona Guerra Mundial treballà a la secció metal·lúrgica del projecte Manhattan de construcció de la bomba atòmica.