Après avoir achevé ses études secondaires à quinze ans, WLB entra à l'université d'Adélaïde, dont il sorti diplômé à 18 ans. Il suivit alors toute sa famille en Angleterre, quand son père fut nommé à Leeds.

     Le jeune étudiant rejoignit alors l'équipe de J.J. Thomson, à Cambridge. C'est là qu'il réalisa les premières expériences et surtout les déductions cruciales qui orientèrent toute sa carrière : en 1912, âgé de 22 ans seulement, il trouva la clé d'un mystère soulevé par des chercheurs de Munich et que personne, ni les Allemands, ni même WHB, son père, n'avait réussi à comprendre. Cela concernait la déviation des rayons X par les cristaux. Il expliqua le phénomène, établi une loi mathématique qui porte son nom et remporta pour cela, en commun avec son père, le Prix Nobel de physique 1915.

     Il avait seulement 25 ans et reste à ce jour le plus jeune scientifique couronné de la sorte.

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      L'esprit n'était pourtant pas à la fête : il appris la nouvelle sur un champ de bataille et elle faisait suite à d'autres annonces autrement plus dramatiques : au cours des mois précédents, son jeune frère, Robert, avait été tué. Il perdit aussi son meilleur ami, Cecil Hopkinson, en 1917. 

   De retour à Cambridge en 1919, il rencontra une étudiante en histoire, Alice Hopkinson à qui il fit rapidement une proposition de mariage... qu'elle déclina : elle voulait d'abord finir ses études et profiter de la vie cambridgienne. 

      En 1919, il prit la place d'Ernest Rutherford à Manchester, tandis que celui-ci prenait la place de J.J. Thomson à Cambridge. Il modifia les axes de recherche pour les orienter vers son domaine d'expertise : la cristallographie et l'étaude des rayons X.