בראג סיפר על הרעיון לאביו וחשף את תגליתו בהרצאה ב-11 בנובמבר 1912 בכנס פנימי של החברה הפילוסופית של קיימברידג' (Cambridge Philosophical Society), והיא מופיעה בסיכומי הכנס. העולם המדעי שמחוץ לקיימברידג' שמע על כך לראשונה דווקא מאביו, ויליאם הנרי בראג, שכתב בתחילת דצמבר באותה שנה מכתב לכתב העת Nature, ובו התייחס לתגלית שגילה "בני" (My son) מבלי לציין את שמו המלא. מאוחר יותר פרסם לורנס בראג עצמו מאמר בנושא באותו כתב עת.
בראג שוחח על רעיונותיו עם אביו, שבאותה תקופה המציא את הספקטרומטר של קרני רנטגן, שאיפשר מדידות מדויקות יותר של קרני הרנטגן. מכשיר זה איפשר לנתח סוגים שונים של גבישים, והוכיח כי לכל יסוד יש ספקטרום קרני רנטגן אופייני. בשנים 1912–1913 עבדו השניים יחד והצליחו למצוא את סידור האטומים במלח בישול (NaCl) ובאשלגן כלורי (KCl). השניים נחשבים כיום כמייסדי המדע החדש של ניתוח מבנה גבישים באמצעות קרני רנטגן. יחד סיכמו השניים את תוצאות מחקריהם בספר שיצא בפברואר 1915 "קרני רנטגן ומבנה הגביש" (W. H. Bragg and W.L. Bragg, X-rays and crystal structure, הוצאת G. Bell &amp; Sons Ltd, לונדון 1915). עם זאת, שיתוף הפעולה בין האב לבנו הוביל רבים להאמין כי המחקר היה ביוזמת האב. אף על פי שבראג האב דאג לתת קרדיט לבנו בכנסים או במאמרים שכתב, נראה הדבר לרבים כנדיבות לב אבהית. שנים לאחר מכן סיפר לורנס בראג כי "הוא עדיין זוכר בכאב 60 שנה אחרי" את המכתב שכתב אביו ל-Nature שבו סיפר על התגלית של "בני", ואת העובדה שהפיזיקאים הידועים מאותה תקופה, שכללו את אלברט איינשטיין, ארנסט רתרפורד ומקס פון לאואה, שמעו על תגליתו של לורנס בראג לראשונה דווקא מאביו בכנס סולווה לפיזיקה שנערך בהרלם שבהולנד ב-1913. הענקת קרדיט מלא ואישי לאנשים היה עיקרון שבו דבק בשנים שבהן כבר לא עסק במחקר אלא ניהל צוות חוקרים.
ב-1914 התמנה בראג לעמית ולמרצה במדעי הטבע בטריניטי קולג' שבקיימברידג', אבל באוגוסט של אותה שנה פרצה מלחמת העולם הראשונה, ולורנס בראג נאלץ להפסיק את מחקריו בתחום הקריסטלוגרפיה, ולעסוק במשך ארבע השנים הבאות בתחום שונה לחלוטין.
מלחמת העולם הראשונה.
ב-26 באוגוסט 1914, כשלושה שבועות אחרי שפרצה מלחמת העולם הראשונה, גויס לורנס בראג לצבא הבריטי. על סמך ניסיונו ביחידה "סוסו של המלך אדוארד", הוא הוצב ביחידת התותחנים הקרויה "ארטילריית הפרשים המלכותית של לסטרשייר" (Leicestershire Royal Horse Artillery) בדרגת לוטננט שני. בראג לא מצא את מקומו בין קציני היחידה, שעניינם העיקרי בחיים היה סוסים וציד, והאימונים החוזרים ונשנים של גרירת התותחים וירי באמצעות כוונות הטילו עליו שעמום. היחידה לא נקראה להילחם בחזית, ובראג התענה בה קרוב לשנה.
ביולי 1915 נקרא בראג במפתיע לראיון במפקדת הצבא בלונדון. קולונל הדלי, ראש חטיבת הגאוגרפיה במפקדה הכללית, סיפר לו כי הבריטים גילו שבני בריתם הצרפתים מצליחים לאכן את מקומם של תותחי האויב הגרמני באמצעות הקול שמפיק התותח בעת הירי. השיטה שבה השתמשו הצרפתים הייתה מבוססת על פיזור של כמה מיקרופונים וחיבורם לגלוונומטר. במפקדת הצבא הבריטי בפלנדריה שבבלגיה הוחלט להקים יחידה שתשתמש בשיטה זו, אבל הם היו זקוקים לקצין המבין בקול ובחשמל. הסיבה לבחירה בבראג אינה ידועה. במאי 1915 קיבלו בראג ואביו את מדליית ברנארד, פרס יוקרתי שחילקה אוניברסיטת קולומביה שבניו יורק עבור תגליתם בתחום פענוח מבנה הגבישים באמצעי קרני רנטגן. ייתכן כי הפרסום על כך, בעיתון הטיימס של לונדון, שיחק תפקיד בהחלטה לפנות אל בראג.
בראג גייס קצין נוסף ליחידה המוקמת, הרולד רובינסון (Harold Roper Robinson), שהיה חבר בצוות החוקרים של ארנסט רתרפורד באוניברסיטת מנצ'סטר. היחידה, שכללה קשר ונהגים עבור הקצינים ועבור המשאית שנועדה להסיע את מתקן הגלוונומטר המסיבי, סופחה לחטיבה הטופוגרפית במפקדת הצבא הבריטי בפלנדריה המכונה "Maps GHQ". חטיבה זו עסקה בעיקר בהכנת מפות לצבא הבריטי, אבל הוטל עליה גם לאתר תותחי אויב. השיטה שבה השתמשו הייתה איתור באמצעות הרשף שנפלט מלוע התותח בעת הירי. עם הגעתו של בראג, נוספה הטכניקה של איכון באמצעות קול המכונה באנגלית "sound-ranging".
בספטמבר 1915 קיבל בראג את הידיעה המרה על מות אחיו הצעיר, רוברט צ'ארלס בראג, קצין ארטילריה מהדיוויזיה ה-11 שנהרג במפרץ סובלה, אחת החזיתות של קרב גליפולי. מאוחר יותר הגיעה אליו הידיעה על פציעתו הקשה של חברו הקרוב ססיל הופקינסון (הופקינסון מת מפצעיו שנתיים אחר כך). לאחר מכן הגיעה ידיעה משמחת: ב-15 בנובמבר 1915 החליטה ועדת פרס נובל להעניק לו ולאביו במשותף את פרס נובל לפיזיקה, "עבור שירותיהם באנליזה של מבנה הגביש על ידי קרני רנטגן". בזכייה זו נקבעו שני תקדימים: זהו המקרה היחיד שבו זכו אב ובנו במשותף בפרס נובל כלשהו, וכמו כן ויליאם לורנס בראג, שהיה אז בן 25 שנים, הוא המדען הצעיר ביותר אי-פעם שזכה בפרס נובל. ספרם המשותף "קרני רנטגן ומבנה הגביש" ("X-Rays and Crystal Structure"), שיצא לאור באותה שנה, הודפס בחמש מהדורות תוך עשר שנים.
בינתיים המשיך לורנס בראג במשימה שהצבא הבריטי הטיל עליו, איכון תותחים באמצעות הקול. לבראג ועמיתיו התברר כי אף על פי שהשיטה של הצרפתים להשוות בין הזמנים שבהם מגיע קול התותח למספר מיקרופונים ולחשב את מיקום התותח על פי מהירות הקול נכונה בתאוריה, יישום השיטה נתקל בקשיים טכניים. ראשית, למרות האנרגיה הניכרת של קול התותח (בראג סיפר כי ביושבו בשירותים הצליח קול ירי תותח בריטי מסוללה קרובה להרים אותו ממושבו), הרי התדירות של קול התותח נמוכה מאוד, בין 25 הרץ בתותח שדה ל-10 הרץ בתותחים הכבדים. המיקרופונים ידעו לקלוט תדרים גבוהים בהרבה - ירי רובה, זמזום חרקים ואפילו צעקות אדם, אבל התקשו בקליטת התדרים הנמוכים. יותר מכך, תותח יורה מפיק שני צלילים - צליל הירי עצמו ובום על-קולי בשעה שהפגז שובר את מהירות הקול, צליל שמגיע למיקרופונים קודם. מיקומו של הבום העל-קולי היה חסר משמעות, אבל המיקרופונים לא היו מסוגלים לקלוט גם אותו וגם את קול ירי התותח שהגיע זמן קצר אחריו. למרות זאת החליט המפקד האחראי, לויטננט קולונל יואן ג'ק, כי התוצאות שהושגו מהוות הצלחה, והורה לבראג להכשיר מחלקות בשימוש בציוד איכון התותחים בעזרת קול.
כל מחלקה כללה 18 איש (מתוכם שלושה קצינים) שבראג אימן תחילה באופן אישי ואחר כך הוא הקים בסיס אימונים לשיטה בעיירה מרלימון (Merlimont-Plage), 30 קילומטרים דרומית לבולון במחוז פה-דה-קאלה. המחלקות שאימן שולבו בפלוגות סקרי השדה שהיו צמודות לכל ארמייה, ועסקו בשרטוט מפות, ובאיתור תותחי אויב באמצעות זיהוי מקור רשף הירי, ובאיכון בעזרת קול. בסוף המלחמה היו בפלוגות אלו כ-5,000 איש, והן פעלו בחזיתות צרפת, איטליה, סלוניקי וארץ ישראל. ב-20 ביוני 1916 קודם בראג לדרגת לוטננט וב-3 בספטמבר אותה שנה לדרגת קפטן.
את בעיית המיקרופונים הרגישים פתר רב-טוראי מהיחידה של בראג בשם טאקר (W. S. Tucker). הוא הציע לבנות סוג חדש של מיקרופון שהיה רגיש לרוח שנוצרה מירי התותח. היה עדיין צורך להתגבר על בעיות טכניות שונות, אבל לקראת סוף המלחמה היו הקצינים המנוסים ביותר ביחידות שהקים בראג מסוגלים לאתר בעזרת המיקרופונים לא רק את מיקום התותח בדיוק של מטרים בודדים, אלא גם את קוטר הקנה. במקרים שבהם הצליח הצבא הבריטי להשתלט על אזור גרמני התברר שהמאכנים באמצעות קול איתרו 95% מהתותחים. ב-14 ביוני 1918 קודם בראג לדרגת מייג'ור. ב-8 באוגוסט אותה שנה קצרו הבריטים בקרב אמיין את ההצלחה הגדולה ביותר המבוססת על איכון באמצעות קול. הבריטים תקפו לאחר שבוע של ערפל שבו לא ניתן היה לערוך סיורים אוויריים, ושבמהלכו הזיזו הגרמנים את תותחיהם מבלי לדעת שמאכני הקול איתרו אותם בקלות מחדש. סוללות התותחים הבריטיות השמידו את הסוללות הגרמניות, ולגרמנים לא נותרה תשובה מול הנשק החדש שהעמידו הבריטים מולם - הטנק. אריך לודנדורף שהיה אז ראש המטה של פאול פון הינדנבורג (מפקד הצבא הגרמני), ושליט גרמניה בפועל, כינה מתקפה זו "היום השחור של הצבא הגרמני".
את המלחמה סיים בראג בדרגת מייג'ור. בשל שירותיו בזמן המלחמה זכה לעיטור הצלב הצבאי (Military Cross) וצורף כחבר בדרגת קצין למסדר האימפריה הבריטית (המוכר בראשי התיבות OBE).
אוניברסיטת מנצ'סטר (1919 – 1937).
בתחילת שנת 1919 חזר בראג לטריניטי קולג' לזמן קצר על מנת להשלים את חובותיו. בתקופה זו פגש והתאהב באליס גרייס ג'ני הופקינסון (Alice Grace Jenny Hopkinson), בת דודו של ססיל הופקינסון, חברו הטוב של בראג שנהרג במלחמה, שלמדה היסטוריה בקיימברידג'. אז נעתר להחליף את ארנסט רתרפורד כפרופסור לפיזיקה על שם לנגוורת'י באוניברסיטת ויקטוריה של מנצ'סטר (כיום אוניברסיטת מנצ'סטר).
התקופה הראשונה במנצ'סטר הייתה לא קלה. לבראג לא היה כל ניסיון קודם בהדרכת סטודנטים, הידע שלו בפיזיקה היה מוגבל יחסית, והסטודנטים, שרובם חזרו משירות בצבא בזמן המלחמה, חשו בחולשות אלו והרבו להפריע. הוא גם לא הסתדר עם צוות המרצים הבכירים האחרים שהיו מבוגרים, והיו רגילים לתהילה שסיפקה מחלקת הפיזיקה בתקופת רתרפורד. מנצ'סטר באותה תקופה הייתה עיר תעשייתית שסבלה מזיהום אוויר קשה, ובראג זכר ימים שבהם הערפל היה כה כבד שהוא לא ראה מהקתדרה את השורות האחרונות באולם.