1895年,他设计了一套设备,使水蒸气冷凝来形成云雾。当时人们认为,要使水蒸气凝结,每颗雾珠必须有一个尘埃为核心。威尔逊仔细除去仪器中的尘埃后发现,无需尘埃,而用X射线照射云室时,云雾立即出现,这证明凝聚现象是以离子为中心出现的。经过四年研究,他总结出,当无尘空气的体积膨胀比为1.25时,负离子开始成为凝聚核心;当膨胀比为1.28时,负离子全部成为凝聚核心。对于正离子来说,膨胀比为1.31时开始成为凝聚核心,膨胀比为1.35时全部成为凝聚核心。另一方面,他还指出,离子的电荷对水蒸气分子产生作用力,有助于雾珠的扩大。1912年,威尔逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相设备,使它成为研究射线的重要仪器。用这个云室拍摄了α粒子的图象。