Основные работы посвящены физике космических лучей и физике элементарных частиц. В 1930 занялся исследованием космических лучей, используя камеру Вильсона, помещенную в сильное магнитное поле. В 1932 показал, что наряду с обычными отрицательно заряженными электронами в космических лучах присутствуют положительно заряженные частицы с такой же массой. Существование таких частиц – позитронов – было предсказано П.Дираком, но наблюдать их ранее не удавалось. За обнаружение позитрона Андерсон в 1936 был удостоен Нобелевской премии по физике, разделив ее с В.Гессом, который в 1912 открыл космические лучи и доказал их внеземное происхождение. В 1933 независимо от других ученых Андерсон продемонстрировал рождение электронно-позитронной пары из g-кванта. В 1936 вместе со своим сотрудником С.Неддермейером открыл новую частицу – мюон (m-мезоны), примерно в 207 раз более тяжелую, чем электрон. Умер Андерсон в Сан-Марино (шт. Калифорния) 11 января 1991.