Berlin, Giessen és Heidelberg egyetemein tanított. 1925-ben Bothe és Hans Geiger két Geiger-számlálót használva gyűjtött adatokat a Compton-effektusról. 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. 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 2. világháború alatt a német nukleárisenergia-kutatások egyik vezetője volt. Ő volt a felelős az első német ciklotron tervezéséért és építéséért; a gyorsító 1943-ban készült el. Max Bornnal osztozott az 1954. évi fizikai Nobel-díjon. A díjat a szubatomi részecskék észlelésére kidolgozott új módszeréért és más, ehhez kapcsolódó felfedezéseiért kapta.