Under ledelse av Robert A. Millikan begynte han å studere kosmisk stråling. Mens han gjorde forsøk med tåkekammer, oppdaget han uventede spor av subatomære partikler. Fra fotografier av partikkelbanene forutsa han at dette var skapt av partikler med samme masse som elektroner, men med motsatt elektrisk ladning. Oppdagelsen understøttet Paul Diracs teoretiske beregninger om at det fantes et positron. Anderson oppnådde også et direkte bevis for at positronet eksisterte ved å sende gammastråler skapt av thoriumkarbid (ThC) inn i andre materialer, noe som førte til at det ble dannet positron-elektron par. Oppdagelsen av positronet førte til at Anderson fikk Nobelprisen i fysikk i 1936 sammen med Victor Hess.