Berlin (1920-31), Giessen (1931-34) és Heidelberg (1934-57) egyetemein tanított. 1925-ben Bothe és Hans Geiger két Geiger-számlálót használva gyűjtött adatokat a Compton-effektusról - ezen elv szerint egy röntgensugár-nyaláb hullámhossza attól a szögtől függően növekszik, amelyben a nyaláb szóródik az elektronokkal való ütközés következtében. Kísérletük egyidejűleg mérte az egyedi ütközésekből kilépő egyes fotonok és elektronok energiáját és irányát, megcáfolta a Compton-effektus statisztikai értelmezését, és világosan kimutatta az elektromágneses sugárzás részecsketermészetét.
Werner Kolhörster csillagásszal együtt újra ezt a koincidenciaszámlálási módszert alkalmazták 1929-ben, és megállapították, hogy a kozmikus sugárzás a korábbi felfogástól eltérően nem csak gamma-sugarakból áll. 1930-ban Bothe szokatlan sugárzást fedezett fel, amelyet az alfa-részecskékkel bombázott berillium bocsátott ki. Ezt a sugárzást később Sir James Chadwick azonosította mint neutront.
A II. világháború alatt Bothe a német nukleárisenergia-kutatások
egyik vezetője volt. Ő volt a felelős az első
német ciklotron tervezéséért és építéséért;
a gyorsító 1943-ban készült el.