Bragg retornou à Inglaterra no final de 1908 e assumiu a Cadeira Cavendish de Física na Universidade de Leeds em 1909. Ele publicou um importante trabalho inicial sobre radioatividade, Estudos em radioatividade, em 1912.
Ele inventou o espectrômetro de raios X e começou a trabalhar com seu filho. Juntos fundaram a nova técnica de cristalografia de raios X, pela qual ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1915. Esse ano também foi marcado por seu livro Raios-X e estrutura de cristal, o texto padrão por muitos anos.
A partir de 1914, pai e filho contribuíram para o esforço de guerra; W.H. Bragg foi ligado à detecção de submarinos, em Aberdour on Forth e em Harwich, e retornou a Londres em 1918 como consultor para o Almirantado.