安德森的全部研究工作与两种基本粒子的发现密切相关。这两种基本粒子，一是正电子，另一是负电子。
安德森是瑞典移民的儿子，1905年9月3日生于纽约市。曾就读于加州理工学院，1930年获得哲学博士学位，他的整个学术生涯，都是在这里度过的，1939年起担任物理学教授直至1978年退休。
1930年，安德森开始通过拍摄宇宙射线穿过云室的径迹来研究宇宙射线。他发现一种带正电的粒子几乎和那些带负电的粒子一样频繁地出现。这种带负电的粒子很明显就是电子，但那些带正电的粒子显然不是质子（质子是当时所知唯一的带正电的粒子），因为它们在云室中不能充分电离。最后，安德森推断“合乎逻辑的答案只有一个：这种粒子和普通的带负电的自由电子相比，它们带有等量的正电荷并且质量同数量级”。事实上，这种粒子就是正电子，安德森在1932年9月宣布了它的存在；次年，他的结论就被帕特里克-布莱克特和朱塞佩-奥基亚利尼所证实。为此，安德森获得了1936年诺贝尔物理学奖。
同年，安德森观察到一些更罕见的宇宙射线粒子的径迹，这种粒子看起来比电子重但比质子轻。1938年，这种粒子被改称为“介子”，1947年，为了和塞西尔·波韦尔发现的另一种更活泼的介子相区别，安德森发现的那种介子又被称作μ介子。但在塞西尔的π介子的作用很快得到解释时，安德森的μ介子的作用仍远未弄清。
