Το ενδιαφέρον του είχε ήδη στραφεί στη φυσική και χάρη στην ευγένεια του καθηγητή K. Lark-Horovitz του δόθηκε η δυνατότητα, ενώ ήταν προπτυχιακός, να συμμετάσχει σε πειραματική έρευνα της περίθλασης των ηλεκτρονίων. Ως φοιτητής, στο πλάισιο ανταλλαγής του Ινστιτούτου Διεθνούς Εκπαίδευσης, πέρασε ένα χρόνο στο Technische Hochschule, στην Καρλσρούη της Γερμανίας, όπου σπούδασε υπό τον καθηγητή W. Weizel. Επέστρεψε στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1934 για να εισέλθει στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, όπου έλαβε το διδακτορικό. πτυχίο το 1938. Αφού υπηρέτησε δύο χρόνια ως καθηγητής φυσικής στο Χάρβαρντ, εντάχθηκε στο Εργαστήριο Ακτινοβολίας του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, το οποίο ιδρύθηκε το 1940 για στρατιωτική έρευνα και ανάπτυξη ραντάρ μικροκυμάτων. Έγινε επικεφαλής της Ομάδας Θεμελιωδών Εξελίξεων στο Εργαστήριο Ακτινοβολίας, που αφορούσε την εξερεύνηση νέων ζωνών συχνοτήτων και την ανάπτυξη νέων τεχνικών μικροκυμάτων. Αυτή η εμπειρία αποδείχθηκε πολύτιμη. Ίσως εξίσου σημαντική επιρροή στη μετέπειτα επιστημονική του εργασία ήταν η συσχέτιση εκείνη τη στιγμή με έναν αριθμό φυσικών, μεταξύ των οποίων ο II Rabi, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη μελέτη των μοριακών και πυρηνικών ιδιοτήτων με ραδιοφωνικές μεθόδους.

Η ανακάλυψη της απορρόφησης πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού έγινε αμέσως μετά το τέλος του πολέμου και εκείνη την περίοδο ο Purcell επέστρεψε στο Χάρβαρντ ως αναπληρωτής καθηγητής φυσικής. Έγινε Καθηγητής Φυσικής το 1949. ο σημερινός του τίτλος είναι καθηγητής πανεπιστημίου Gerhard Gade. Συνέχισε να εργάζεται στον τομέα του πυρηνικού μαγνητισμού, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για φαινόμενα χαλάρωσης, τα σχετικά προβλήματα μοριακής δομής, τη μέτρηση ατομικών σταθερών και την πυρηνική μαγνητική συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Έχει συμβάλει στο θέμα της ραδιοαστρονομίας.

Είναι συνεργάτης της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας, μέλος της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, της Αμερικανικής Ακαδημίας Τεχνών και Επιστημών και της Συμβουλευτικής Επιτροπής Επιστημών του Προέδρου υπό τον Πρόεδρο Αϊζενχάουερ από το 1957-1960 και υπό τον Πρόεδρο Κένεντι από το 1960.