El 1930 començà un estudi exhaustiu de les partícules ionitzades produïdes pels raigs còsmics. Mitjançant una càmara de Wilson, situada en l’interior d’un potent camp magnètic, observà el 1932 l’existència efectiva del positró, predit per Dirac però no observat fins llavors. Això li valgué el premi Nobel de l’any 1936, conjuntament amb Victor F. Hess. Continuà les seves investigacions i el 1936, amb Seth Neddermeyer, identificà el μ-mesó o muó, que semblava ser la partícula prevista teòricament per Yukawa el 1935, cosa que posteriorment no es confirmà. Membre de la National Academy of Sciences i professor del Californian Institute of Technology.