Das von Anderson 1932 entdeckte Positron war ein Jahr zuvor von Paul Dirac im Rahmen seiner relativistischen Quantenmechanik vorausgesagt worden. Das Positron ist das erste bekannte Antimaterie-Teilchen.
Anderson war der Sohn schwedischer Immigranten und hatte zwischen 1924 und 1930 am renommierten California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena studiert; dabei hörte er u.a. theoretische Physik bei Julius Robert Oppenheimer (1904-1067). Als Assistent von Robert Millikan (man erinnere sich an den legendären Millikan-Versuch) beschäftigte er sich anschließend mit dem Nachweis der – von dem Mitlaureaten Hess – entdeckten kosmischen Strahlung in einer so genannten Wilsonschen Nebelkammer.

Die Nebelkammer wurde in ein starkes magnetisches Feld gesetzt, wodurch die verschiedenen, mit der Strahlung einfallenden Elementarteilchen entsprechend ihrer unterschiedlichen Masse und Ladung abgelenkt wurden. Die Bahnen wurden fotografiert, und unter Tausenden Aufnahmen fand Anderson einige, bei denen Abweichungen gegenüber den von Elektronen erzeugten Bahnen festgestellt wurden; diese Bahnen ließen sich aber erklären, wenn man die Existenz eines Antiteilchens zum Elektron annahm.1932 war für die Kernphysik ein entscheidendes Jahr, in das mehrere wichtige Entwicklungen und Geräteentwicklungen fielen (u.a. Entdeckung des Neutrons und Deuteriums sowie der Bau eines Zyklotrons). Die Identifizierung des Positrons wurde zunächst etwas ungläubig aufgenommen, doch 1933 konnte Anderson exakt den Prozess der Paarerzeugung – d.h. des gleichzeitigen Entstehens von Positron und Elektron bei der Abbremsung hochenergetischer Gammastrahlung – nachweisen. Ebenso konnte gezeigt werden, dass beim Zusammentreffen von Elektron und Positron Gammastrahlung entsteht (sog. Annihilation). Diese Prozesse bestätigen zugleich die Ambivalenz von Masse und Energie gemäß der berühmten Formel von Albert Einstein. Bald darauf wurde die Entdeckung auch von anderen Forschern nachgewiesen.In den Jahren 1936/37 entdeckte Anderson mit seinem Assistenten Seth H. Neddermeyer (1907-1988) in der kosmischen Strahlung ein weiteres Teilchen, das als My-Meson (Myon) bezeichnet und lange Zeit für das von Hideki Yukawa vorausgesagte und Meson genannte schwere Teilchen gehalten wurde.

Anderson wirkte bis zu seiner Emeritierung im Jahr 1976 am Caltech; bereits 1933 war er dort Assistenzprofessor geworden und 1939 ordentlicher Professor. Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete er an militärischen Raketenprojekten.