A partir de entonces se interesó particularmente en la meteorología, y en 1893 comenzó a estudiar las nubes y sus propiedades. Trabajó durante algún tiempo en el observatorio de Ben Nevis, donde hizo observaciones de la formación de las nubes. Entonces intentó reproducir este efecto en una escala menor en el laboratorio de Cambridge, expandiendo aire húmedo en un recipiente cerrado. Posteriormente hizo experimentos con la creación de rastros de nube en su cámara causada por iones y radiación. Por la invención de la cámara de niebla recibió el Premio Nobel de Física en 1927.
La cámara de niebla es un dispositivo utilizado para detectar partículas de radiación ionizante. En su forma más sencilla, una cámara de niebla es un entorno cerrado que contiene vapor de agua superenfriado y supersaturado. Cuando una partícula cargada de suficiente energía interacciona con el vapor, lo ioniza. Los iones resultantes actúan como núcleos de condensación, alrededor de los cuales se forman gotas de líquido que dan lugar a una niebla. Al paso de las partículas se va produciendo una estela o traza, debido a los numerosos iones producidos a lo largo de su trayectoria.
Wilson se casó con Jessie Fraser en 1908, la hija de un ministro de Glasgow, y la pareja tuvo cuatro hijos. Murió cerca de Edimburgo, rodeado de su familia un 15 de noviembre de 1959.
El cráter Wilson en la Luna fue llamado así en su honor, en el de Alexander Wilson y en el de Ralph Elmer Wilson.
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