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결정(結晶)구조를 결정하는 연구로 1915년 그의 아들 로렌스 브래그 경과 함께 노벨 물리학상을 받았고, 1920년에 기사 작위를 받았다.

브래그의 아버지 쪽은 학문적 전통 없는, 주로 자작농이나 상선 승무원들의 집안이었다.

그의 어머니는 지방 교구목사의 딸이었다. 7세 때 어머니를 잃고 레스터셔의 하보로 시장에서 약국과 식료품 가게를 하는 두 숙부들과 함께 살게 되었다. 이곳에서 삼촌이 다시 세운 오래된 학교에 다녔다. 공부를 잘했고 1875년 아버지가 그를 맨 섬의 킹 윌리엄 칼리지에 보내 학교교육을 받도록 했다. 처음에는 적응하는 것이 어려웠지만 공부와 운동에서 뛰어났고 마침내 우등생이 되었다. 그러나 마지막 해에 학교는 종교적 주정주의의 폭풍에 휩싸이게 되었다.

학생들은 지옥불과 영원히 지옥에 떨어지는 이야기를 듣고 공포에 질렸는데, 이 경험은 브래그에게 강한 인상을 남겼다. 후에 그는 "무서운 한 해였다…… 몇 년 동안 성서 읽기가 두려웠다"고 썼다. 1941년 케임브리지에서 행한 과학과 신앙이라는 한 강의에서 "어렸을 때 성서를 문자 그대로 해석함으로써 수년 동안 심한 불행과 공포에 사로잡히게 되었던 사람은 나만이 아니라고 확신한다"고 했다.

다른 한편으로 그는 자신의 명쾌하고 균형잡힌 문체는 어릴 때 흠정역성서(欽定譯聖書 Authorized [King James] Version of the Bible)에 기초를 둔 덕분이라고 했다. 〈소리의 세계 The World of Sound〉에서 그는 "종교로부터 한 인간의 목적이, 과학으로부터 그것을 이룰 수 있는 힘이 나온다"고 썼다.

1882년 케임브리지 트리니티 칼리지에서 장학금을 받았고 2년 뒤에 수학 트라이포스(우등 졸업 시험)에서 3위를 차지했다.

이렇게 성적이 뛰어나서 그는 1882년 세운 지 얼마 되지 않은 남오스트레일리아의 애들레이드대학교의 수학 및 물리학 교수로 임명되었다. 훌륭한 강사가 되기 위해 노력했을 뿐만 아니라 기구제작회사에서 도제(徒弟)가 되기 위해 자신을 훈련시켰고 실제 실험교육에 필요한 모든 장비들을 스스로 만들었다. 초기의 이 훈련 덕택으로 나중에(1912) 영국으로 돌아간 뒤 현대의 모든 X선과 중성자 회절계의 원형(原形)인 브래그 이온화 분광계를 설계할 수 있었다(분광학). 이 기구로 X선 파장과 결정체에 대한 최초의 정확한 실험들을 해냈다.

브래그는 오스트레일리아 과학진흥협회 회장이 된 1904년에야 독창적인 연구에 대해 생각하기 시작했다.

알파선·베타선·감마선에 대한 일련의 연구성과로 인해 유명한 영국 물리학자 어니스트 러더퍼드가 그를 왕립학회 회원으로 추천했다. 그는 1907년 회원으로 선출되었고 1년이 못 되어 잉글랜드에 있는 리즈대학교 교수가 되었으며 그곳에서 X선과 감마선 모두 입자와 같은 특성을 가졌다는 그의 견해를 발전시켰다. 1912년 독일의 물리학자 막스 폰 라우에는 결정체들이 X선을 회절시킬 수 있고 따라서 X선은 파장은 훨씬 더 짧지만 빛과 같은 파동임에 틀림없다고 발표했다(X선 회절). 그때 브래그와 케임브리지에서 물리학을 공부하고 있던 그의 큰아들 윌리엄 로렌스는 결정구조 연구에 X선을 이용하기 시작했다(X선 결정학). 이 연구로 1915년 그들 부자는 노벨 물리학상을 받았다.

제1차 세계대전 동안 대(對)잠수함 기구들에 대해 연구했고 전쟁 후에는 런던의 유니버시티 칼리지에 결정학 연구소를 세웠다.

그뒤 물리학자이자 화학자였던 제임스 듀어 경이 죽자 그의 뒤를 이어 왕립연구소와 런던의 데이비 패러데이 연구실험실(Davy Faraday Research Laboratories)의 책임자가 되었다. 브래그는 이 실험실들에 많은 젊은 과학자들을 끌어들여 그들의 연구를 고무하고 격려했으며 그들은 곧 명성을 얻었다. 그는 또한 대중적인 과학강연자이자 저술가이기도 했다. 어린이들을 위한 〈크리스마스 강연〉은 출판되자마자 베스트셀러가 되었다.

부인과 함께 각지에서 온 유명한 과학자들에게 살롱을 열었다. 1935~40년 왕립학회 회장이었고 다른 많은 명예도 얻었다. 그러나 마지막까지 소박하고 친절했으며, 자신의 성공에 대해 겸손해했고 아들의 성공을 자랑스러워했다.