Nel 1925 ottenne il dottorato con quella che è stata poi definita la più brillante tesi mai scritta in astronomia dal titolo “Stellar Atmospheres, A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars”.
La tesi indicava la stretta correlazione tra la classe spettrale delle stelle e la loro temperatura e come l’idrogeno fosse di gran lunga il maggior costituente del Sole, circa il 90%.
Il celebre astronomo Henry Russell, a cui si era rivolta già un anno prima per una consulenza, basandosi su conoscenze errate, le aveva sconsigliato di pubblicare il suo studio sulla composizione del Sole, ritenendo, insieme alla comunità scientifica che fosse il ferro. E, dopo pochi anni se ne prese il merito.
Nel 1930 Cecilia Payne ha editato la sua seconda pubblicazione Stars of High Luminosity, che segnava il suo interesse per le nova e le stelle variabili.
Harlow Shapley, il direttore dell’osservatorio di Harvard, cercò di ottenere per lei il titolo di professoressa, ma l’allora presidente dell’università, Abbott Lawrence Lowell, glielo aveva negato, perché era una donna.
Nel giugno 1956 ebbe finalmente la cattedra di astronomia, la notizia, per la sua eccezionalità, venne riportata anche dal New York Times. Pochi mesi dopo divenne presidente del dipartimento.
Ritiratasi dall’insegnamento attivo nel 1966, venne nominata professoressa emerita.