Anderson a Ph.D. fokozatot Pasadenában, az ottani egyetemen (California Institute of Technology) szerezte meg. Egész pályafutása során ott maradt, és 1976-ban professzor emeritus lett. 1927-től a röntgensugarak által keltett fotoelektronokkal foglalkozott (ezek olyan elektronok, amelyeket nagy energiájú fotonnal kölcsönható atomok bocsátanak ki). 1930-ban kezdte meg a gamma-sugárzás és a kozmikus sugárzás vizsgálatát mágneses térbe helyezett ködkamra segítségével. 1932-ben a kozmikus sugárzás kölcsönhatásainak tanulmányozása során fedezte fel a pozitront, és egy évvel később sikerült is előállítania az új részecskét gamma-besugárzással. 1936-ben részt vett a müon felfedezésében; ez olyan elemi részecske, amelynek tömege az elektronénak 207-szerese.