Assim que se formou, Lattes trabalhou com física teórica na Universidade de São Paulo (USP). Mas essa área o enfastiava, e ele decidiu se dedicar à física experimental. Em 1946, após dois anos de USP, ele se convidou para trabalhar na Universidade de Bristol, na Inglaterra, onde já estava o físico italiano Giuseppe Occhialini, que ele havia conhecido no Brasil. O pedido foi aceito, e em sua passagem pela Europa, ele realizaria o maior feito de sua carreira: a descoberta do méson pi.

Lattes zarpou para a Europa no primeiro cargueiro que saiu depois da Segunda Guerra Mundial. Foram 40 dias de uma dura viagem: ele dormia no porão, sobre uma tábua, e a cerveja acabou na primeira semana, para seu desespero. Lattes encontrou um país devastado pela guerra. Em Bristol, o laboratório ficava isolado: tudo em volta havia sido bombardeado. Mesmo a comida era pouca, e o brasileiro não tinha com que gastar seu dinheiro. Assim, a subvenção mensal de 60 dólares que recebia da fábrica de cigarros que patrocinava seu laboratório bastava-lhe. Foi nessa época que Lattes começou a fumar - hábito que mantém até hoje.

No laboratório, Occhialini pesquisava novas partículas em um acelerador sob o comando do britânico Cecil Powell. Lattes propôs que substituíssem o acelerador por raios cósmicos, que continham muito mais energia. Essa radiação poderia registrar rastros das partículas em chapas fotográficas com bórax, um composto do elemento químico boro. As chapas, chamadas de "emulsões nucleares", deveriam ser depositadas em regiões de grande altitude, em que a incidência de raios cósmicos é maior.

Equipe de Bristol: Powell está ao fundo, de terno, e Lattes, à sua frente

Lattes teve a idéia de fazer o experimento no monte Chacaltaya, nos Andes bolivianos, a 5.500 metros de altitude. Deixou as chapas na Bolívia e, um mês depois, quando voltou para buscá-las, encontrou as evidências definitivas. Desta vez, havia cerca de 30 marcas. Radiante, Lattes voltou para Bristol, e foi enviado por Powell a um simpósio em Birmingham para apresentar a descoberta. Alguns cientistas contestaram os resultados, mas o suporte do dinamarquês Niels Bohr, um dos maiores físicos da época, pesou na sua aceitação pela comunidade científica. Bohr acreditou na descoberta e convidou Lattes para dar dois seminários. Na mesma época, a revista inglesa Nature publicou um artigo do brasileiro sobre o assunto. O feito inscrevia definitivamente na história da Física os nomes de Cesar Lattes e da equipe de Cecil Powell.