ב-21 במאי 1921 התקבל בראג כעמית בחברה המלכותית. בין מכתבי הברכה שקיבל היה מכתב מאליס הופקינסון, שאותה לא ראה מאז עבר למנצ'סטר. המכתב גרם לחידוש הקשר בין השניים והם נישאו בדצמבר של אותה שנה. אליס בראג, אז בת 22, הייתה ילידת מנצ'סטר, והיא עזרה לבראג ליצור קשרים חברתיים עם תושבי העיר ועם חברי האוניברסיטה. בסתיו 1922 נסעו לורנס ואליס בראג לסטוקהולם על מנת לקבל את פרס נובל, שנבצר מבראג לקבלו במועד המקורי עקב המלחמה, ובמעמד קבלת הפרס נשא בראג את נאום חתן הפרס המסורתי. נישואיו עם אליס היו מאושרים ונולדו להם ארבעה ילדים, שני בנים ושתי בנות. הבכור, סטיבן לורנס (נולד ב-1923), המשיך את המסורת לבית בראג ולמד מתמטיקה בקיימברידג' ואחר כך התמנה למדען הראשי של חברת רולס-רויס. אחריו באו דייוויד ויליאם (נולד ב-1926), מרגרט אליס (נולדה ב-1931) ופאשיינס מרי (נולדה ב-1935).
בזמן ששהה באוניברסיטת מנצ'סטר המשיך בראג את מחקריו בקריסטלוגרפיה. בראג ואביו הסכימו לחלק ביניהם את התחום - ויליאם הנרי בראג יחקור את המבנה הפנימי של תרכובות אורגניות, בעוד שלורנס בראג יחקור את המבנה הפנימי של תרכובות אי-אורגניות. בראג, שהתקשה לערוך בעצמו ניסויים במעבדה, השתמש בשירותי המעבדה הגדולה של האוניברסיטה, ובאסיסטנטים שהועמדו לרשותו כדי לחקור את המבנה הפנימי של המינרלים הסיליקטיים והמתכות. בין השאר חקר את המבנה הפנימי של הארגוניט, האוליבין, הבריל והדיופסיד. הוא גם חקר את השפעת המבנה הפנימי של גבישים על תכונותיהם הפיזיקליות. בעקיפין סייע בראג לפתח את התחום של חקר המבנה הפנימי באמצעות עקיפה של קרני רנטגן המוקרנים על אבקה (בניגוד לעקיפה של גביש), כששימש כזרז לעבודתם של אחרים, בייחוד א. ג' ברדלי (A. J. Bradley).
במקביל המשיך בראג את קשריו עם הפיזיקאים הנודעים של התקופה באמצעות מכתבים ומפגשים. בראג נכח בכנס סולווה (Conseil Solvay) החמישי ב-1927 שבו נידונה לראשונה תורת הקוונטים. הוא היה חבר ב"חברה הספרותית והפילוסופית של מנצ'סטר" (Manchester Literary and Philosophical Society), נשיא החברה בשנים 1927–1928 וקיבל ממנה ב-1941 את "מדליית דלטון". בשנים 1928–1932 עבד במקביל לעבודתו באוניברסיטה עבור חברת המתכות "מטרופוליטן ויקרס", במטרה לפתור בעיות בסגסוגות שהחברה ייצרה.
ב-1930 סבל מהתמוטטות עצבים שנבעה כנראה משילוב בין הלחץ בעבודה, מות אמו, וחרטה על סירובו להצעה לעבור לעבוד בלונדון. בראג התאושש לאחר חופשה ארוכה והולדת בתו הראשונה.
ב-1931 קיבל את מדליית יוז מהחברה המלכותית "על עבודתו החלוצית בהבהרת מבנה הגביש באמצעות אנליזה של קרני רנטגן". בין השנים 1931 ל-1934 שירת כחבר במועצה של החברה המלכותית.
בתקופה זו המשיך לכתוב ספרים בצוותא עם אביו. ב-1934 יצא לאור ספרם "המצב הגבישי" (The Crystalline State), ב-1936 הספר "חשמל" (Electricity), וב-1937 "המבנה האטומי של המינרלים" (Atomic Structure of Minerals).
המעבדה הלאומית לפיזיקה (1937 – 1938).
ב-1937 קיבל בראג הצעה לנהל את המעבדה הלאומית לפיזיקה בלונדון ששכנה בבית בושי (Bushy House) שבטדינגטון (Teddington). אביו עודד אותו לעבור, אבל בראג לא מצא את מקומו בעבודת הוועדות שהייתה נהוגה במעבדה, ובחודשים המעטים שהיה בה השתתף בכתיבת מאמר אחד בלבד. כשפנו אליו מקיימברידג' בהצעה לנהל את מעבדת קוונדיש במקומו של ארנסט רתרפורד שמת באוקטובר 1937, הוא קיבל את ההצעה בשמחה. כתב העת Nature כתב על מינוי זה: "מעבדת קוונדיש היא כיום כה גדולה עד שאין בכוחו של אדם אחד לפקח עליה באורח צמוד, והטאקט של בראג ומתת המנהיגות שלו מהווים את הערובה הטובה ביותר לשיתוף פעולה מאושר בין הקבוצות הרבות של עובדי המחקר שלה". 15 השנים שבאו אחר כך הוכיחו את צדקת נבואה זו.
מעבדת קוונדיש, קיימברידג' (1938 – 1953).
בראג עבר עם משפחתו לקיימברידג' באוקטובר 1938. בתקופה הראשונה לשהותו במעבדת קוונדיש היה עליו להתמודד עם העזיבה ההמונית של חוקרים שהעדיפו משרות באוניברסיטאות שונות על פני השירות תחת מנהל חדש. בראג הביא למעבדת קוונדיש קבוצת חוקרים שחלקם ליוו אותו החל מתקופת אוניברסיטת מנצ'סטר, והצליח לשכנע אחרים להצטרף אל המחלקות השונות במעבדה. בראג החל שוב לבצע מחקרים בקריסטלוגרפיה, כשהפעם תחום העניין העיקרי היו החלבונים. את עניינו המחודש בנושא עורר מקס פרוץ, ביולוג יליד אוסטריה, שחקר את מבנה ההמוגלובין בעזרת עקיפה של קרני רנטגן. בתקופת מלחמת העולם השנייה הושבת המחקר במעבדת קוונדיש, לאחר שחלק מהחוקרים גויסו וחלק התנדבו לעזור במחקר עבור המאמץ המלחמתי. בתחילת המלחמה עבד בראג שוב על איכון תותחים בעזרת קול ועל שיפור סוג של סונאר. בתחילת 1941 קיבל בראג תואר אבירות והתואר "סר" נוסף לשמו. על מנת שלא לטעות בינו לבין אביו סר ויליאם בראג, נקרא תוארו "סר לורנס בראג". באותה שנה שימש למשך שישה חודשים כקצין קישור לענייני מדע בקנדה.
בראג המשיך לבצע מחקרים בקריסטלוגרפיה. הוא עזר לפתח מכשור המסתמך על מבנה הגביש שלו קרא "מיקרוסקופ של קרני רנטגן" ובמכשיר זה עשה שימוש צ'. ו. באן (C. w. Bunn) כדי לפענח את מבנה הפניצילין. באפריל 1942, כשמלחמת העולם בעיצומה, הוחלט לקיים בקיימברידג' כנס בנושא שעל פניו תרם למלחמה - "אנליזה בעזרת קרני רנטגן בתעשייה". הכנס היה הצלחה גדולה והמשתתפים החליטו להקים ארגון שיהיה אחראי על ארגון הכנס באופן שנתי, ועל שיתוף פעולה בנושא בין האוניברסיטאות השונות. הארגון, "קבוצת האנליזה של קרני רנטגן" המוכרת בראשי התיבות של שמה באנגלית XRAG (ראשי התיבות של X-Ray Analysis Group), הוקם ביולי 1943 ובראג מונה ליושב ראש שלו (הכנסים שלו מתקיימים עד היום). ב-1947 עבר בראג להיות סגן היושב ראש, מינוי שנשאר עד מותו.
בכנס XRAG שנערך במרץ 1944 הציע הפיזיקאי והקריסטלוגרף הגרמני פאול פטר אוואלד, שגלה מגרמניה הנאצית מרצונו והרצה אז באוניברסיטת בלפסט, להקים איגוד בינלאומי לקריסטלוגרפיה כאמצעי להוצאה לאור של ביטאון בינלאומי לקריסטלוגרפיה. ויליאם לורנס בראג קיבל את הרעיון בהתלהבות. ב-11 ביולי 1946 התקיים בחסות XRAG כנס בינלאומי מיוחד בנושא "אנליזה של קרני רנטגן בשנות המלחמה". לכנס זה זומנו קריסטלוגרפים מרחבי העולם, ובהם גם מקס פון לאואה. בראג העלה בכנס זה את ההצעה להקים ארגון בינלאומי שיאגד את כל הקריסטלוגרפים ומחקר הקריסטלוגרפיה בעולם, ויהיה אחראי על הוצאה לאור של מאמרים מקצועיים בנושא קריסטלוגרפיה. באי הכנס קיבלו החלטה להקים ועדה זמנית שתבחן הוצאת ביטאון בנושא הקריסטלוגרפיה, וזו קבעה גם את קווי היסוד של הארגון. כנס הייסוד של האיגוד הבינלאומי לקריסטלוגרפיה נערך ב-1948 באוניברסיטת הרווארד בקיימברידג' שבמסצ'וסטס. בראג אומנם לא נכח בכנס, אבל נבחר בהיעדרו ליושב ראש הארגון. בראג היה גם בצוות העורכים של הביטאון של הארגון, "אקטה קריסטלוגרפיקה", ודאג להשיג את עיקר המימון להשקתו.
אחרי מלחמת העולם השנייה החליט בראג לפצל את מעבדת קוונדיש לקבוצות מחקר אוטונומיות. הוא האמין ש"יחידת המחקר האידיאלית היא בת שישה עד שנים עשר מדענים בתוספת כמה אסיסטנטים, כמה טכנאים מעולים, ומקום בו אפשר לבנות את המכשור המתאים". הוא שאף למנוע את המצב שקבוצת מחקר אחת תקבל את עיקר המימון ותשומת הלב כפי שהיה בעבר במחקר גרעין האטום. קבוצות המחקר היו: חקר האטום (הקבוצה הגדולה ביותר), גלי רדיו ופיזיקה של טמפרטורות נמוכות, קריסטלוגרפיה, מתכות ומתמטיקה פיזיקלית. אישית התעניין בראג בעיקר בקבוצת המחקר של הקריסטלוגרפיה ובקבוצת המחקר של גלי הרדיו.
אחת הקבוצות מומנה על ידי מועצת המחקר הרפואי. בקבוצה זו החל פענוח מבנה ההמוגלובין על ידי מקס פרוץ והמיוגלובין על ידי ג'ון קנדרו, ופוענח מבנה ה-DNA בשנת 1953. לבראג לא היה קשר ישיר לפענוח מבנה ה-DNA. להפך, בהתחלה הוא ניסה למנוע את המחקר של פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון משום שרצה למנוע תחרות בינם לבין יחידת המחקר בקינגס קולג' שבאוניברסיטת לונדון, שעסקה באותו נושא (שם קיבל ווטסון את תצלום 51 שעשתה רוזלינד פרנקלין שסייע בפענוח המבנה). השניים שכנעו אותו כי הם קרובים לפתרון, ובראג נרתם לסייע להם ופנה לפרופסור טוד, המומחה לחומצות גרעין, לאימות המבנה שהציעו. לאחר קבלת אישורו דאג בראג לפרסום מיידי של התוצאה. בין הגורמים שדרבנו אותו היו התחרות מול לינוס פאולינג, כימאי אמריקאי, זוכה פרס נובל לכימיה, שהקדים את בראג בעבר כשגילה באפריל 1951 את המוטיבים המבניים המרכזיים במבנה השניוני של חלבונים - סליל אלפא ומשטח בטא. בפברואר 1953 פורסם בכתב העת PNAS מבנה שהציע פאולינג למבנה ה-DNA ובו מספר שגיאות מהותיות. גם העובדה שהאנליזה באמצעות קרני רנטגן שפיתח בראג ארבעים שנה קודם לכן הביאה לגילוי חשוב זה של טבע החיים שיחקה תפקיד בשיקוליו.
הצלחתו של בראג בניהול מעבדת קוונדיש באה לידי ביטוי בולט תשע שנים אחרי שעזב את המעבדה. ארבעה מזוכי פרס נובל לשנת 1962 היו בני טיפוחו, והתגליות בגינן זכו התגלו או שהחלו לחקור אותן בתקופתו. מקס פרוץ וג'ון קנדרו זכו בפרס נובל לכימיה בשל גילוי מבנה ההמוגלובין והמיוגלובין, ופרנסיס קריק וג'יימס ווטסון שאליהם צורף מוריס וילקינס זכו בפרס נובל לפיזיולוגיה ורפואה. וילקינס צורף לקבלת הפרס כהכרה בתרומת החוקרים בקינגס קולג' שבאוניברסיטת לונדון לפענוח מבנה ה-DNA.
המכון המלכותי (1953 – 1966).