在一个封闭容器内，输入纯净的乙醇或者甲醇蒸气，通过降低温度使蒸汽达到过饱和状态，此时如果有带电粒子射入，就会在路径上产生离子，过饱和蒸汽会以离子为核心凝结成小液滴，从而显示出粒子的径迹。1912年，他又改进了云室，增加照相设备。威尔逊云室对早期基本粒子的研究不可或缺，使得观察带电基本粒子或离子的运动径迹成为可能。威耳孙也因此获得了1927年诺贝尔物理学奖。