Chamberlain 1942 és 1946 között az USA atombombaprogramján dolgozott. Később az Argonne-i Nemzeti Laboratóriumban dolgozott Illinoisban, eközben doktori (Ph. D.) fokozatot szerzett a Chicagói Egyetemen. 1948-ban csatlakozott a Kaliforniai Egyetem (Berkeley) tanári karához, 1958-ban lett egyetemi tanár. Kutatási témái közé tartozott az alfa-bomlás, neutronok diffrakciója folyadékokban, nagyenergiájú részecskék kölcsönhatásainak vizsgálata. Segrèvel együtt 1955-ben a nagyteljesítményű bevatron részecskegyorsítót használták fel antiprotonok előállításához, a következő évben pedig igazolták az antineutron létezését is.