Photographie d'Owen Chamberlain alors qu'il travaillait au sein du projet Manhattan.
Il épouse Beatrice Babette Copper (décédée en 1988) en 1943, avec qui il a quatre enfants.
En 1946, après la guerre, Chamberlain poursuit ses études à l'université de Chicago sous la direction d'Enrico Fermi. Fermi joue un rôle de guide et de mentor important pour Chamberlain, l'encourageant à abandonner la physique théorique pour la physique expérimentale, pour laquelle Chamberlain avait une aptitude particulière. Chamberlain obtient son doctorat en 1949.
En 1948, Chamberlain retourne à Berkeley avec un poste permanant. Avec Segrè et d'autres physiciens, il étudie la diffusion proton-proton. En 1955, une série d'expériences de diffusion de protons au Bevatron de Berkeley conduit à la découverte de l'antiproton, ce qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1959. Les travaux de recherche ultérieurs de Chamberlain concernent l'utilisation des chambres à dérive et l'utilisation de l'accélérateur linéaire SLAC de Stanford.
Souffrant de la maladie de Parkinson à partir de 1985, il prend sa retraite en 1989. Il meurt des complications de la maladie le à Berkeley.
(en)Biographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate —le Nobel Lecture— qui détaille ses apports)
