Bragg tornò in Inghilterra alla fine del 1908 e prese la cattedra Cavendish di fisica all'Università di Leeds nel 1909. Pubblicò un importante lavoro iniziale sulla radioattività, Studies in radioactivity, nel 1912.
Inventò lo spettrometro a raggi X e iniziò a lavorare con suo figlio. Insieme fondarono la nuova tecnica della cristallografia a raggi X, per la quale vinsero il premio Nobel per la fisica nel 1915. Quell'anno fu anche segnato dal loro libro X-rays and crystal structure, il testo standard per molti anni.
Dal 1914, sia il padre che il figlio contribuirono allo sforzo bellico; W.H. Bragg fu collegato al rilevamento dei sottomarini, ad Aberdour on Forth e ad Harwich, e tornò a Londra nel 1918 come consulente dell'Ammiragliato.