1919-ben Fowler visszatért a Triniy College-be, ahol matematikát adott elő.
Itt a kutatási területe a [[termodinamika]] és a [[matematikai statisztika]] volt, új megközelítéseket dolgozott ki aza kémia területén. Jelentős a munkássága az asztronómia területén is. 1925-ben a [[Royal Society]] tagja lett. 1926-ban együtt dolgozott [[Paul Dirac]]-kal a fehér törpe csillagok tulajdonságainak kutatásán matematikai statisztikai módszerekkel, bebizonyította, hogy ilyen nagy sűrűség mellett az anyag degenerált formában van jelen. 1928-ban publikált egy írást egy fizikai jelenségről, melyet téremisszió néven ismert és hozzájárult a modern sávelmélet elterjedéséhez. 1931-ben elsőként fogalmazta meg a [[A termodinamika nulladik főtétele]]-t. ]]<ref name=Cengel>Y. Cengel, M. Boles, ''Thermodynamics - An Engineering Approach'' 5th ed.</ref> 1932-ben a Cavendish Laboratory elméleti fizika tanszékének az élére nevezték ki. 1939-ben, a [[második világháború]] kitörésekor, rossz egészségi állapota ellenére ismét belépett az Ordnance Board-ba, mely a brit hadsereg ellátó szervezete volt. Kanadában és az Egyesült Államokban tudományos összekötő tiszti feladatokat látott el. Jól ismerte Amerikát, mivel korábban vendégprofesszor volt a [[Princetoni Egyetem]]en és a Wisconsin–Madison egyetemen is. Fowler vezette be Paul Diracot a [[Kvantummechanika|kvantumelmélet]]be 1923-ban. Kapcsolatban állt [[Werner Heisenberg]]gel és [[Niels Bohr]]ral. [[Cambridge-i Egyetem|Cambridge]]ben 64 diák – köztük [[John Lennard-Jones]], [[Paul Dirac]] és [[Garrett Birkhof]]f – doktori disszertációját irányította. 1942-ben háború alatti munkássága elismeréséért lovaggá ütötték. Később visszatért Angliába és továbbra is az Ordnance Boardnak és az Admiralitásnak dolgozott egészen haláláig.
