Năm 1934, khi làm việc dưới quyền Sergey I. Vavilov, Čerenkov đã quan sát thấy việc phát ra ánh sáng màu xanh (blue light) từ một chai nước bị bắn phóng xạ vào. Hiện tượng này, kết hợp với các hạt nhân nguyên tử có điện tích, di chuyển ở vận tốc nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường địa phương, chứng tỏ là có tầm quan trọng lớn trong việc thí nghiệm Vật lý hạt nhân về sau, và cho việc nghiên cứu các tia vũ trụ. Nó được đặt tên là hiệu ứng Čerenkov, như là máy dò Čerenkov (một loại máy dò hạt), đã trở thành một bộ phận tiêu chuẩn của thiết bị trong nghiên cứu nguyên tử để quan sát sự tồn tại và vận tốc của các hạt tốc độ cao. Thiết bị này đã được đặt trong vệ tinh Sputnik 3.

Pavel Čerenkov cũng tham gia vào việc xây dựng và phát triển máy gia tốc hạt và trong việc nghiên cứu các phản ứng quang nhân (photo-nuclear) và quang-meson (photo-meson).