Ia kembali ke Berkeley sebagai anggota fakultas dan menyelidiki penyebaran proton-proton (proton-proton scattering) bersama Segré. Tahun 1955, serangkaian eksperimen mengenai penyebaran proton menghasilkan penemuan antiproton, partikel yang persis seperti proton namun mempunyai aliran negatif.
Chamberlain didiagnosa menderita penyakit Parkinson pada tahun 1985, dan pensiun mengajar empat tahun kemudian. Ia meninggal dunia pada 28 Februari 2006 pada usia 85 tahun.