Работы Черенкова посвящены физической оптике, ядерной физике, физике частиц высоких энергий. Ученый занимался исследованием свечения жидкостей под действием g-лучей радия; в 1934 обнаружил, что наряду с обычной люминесценцией возникает специфическое голубое свечение. В 1936 установил основное его свойство направленность под острым углом к направлению движения заряженной частицы. Теорию излучения Черенкова разработали в 1937 И.Е.Тамм и И.М.Франк. Из этой теории следует, что любая заряженная частица, движущаяся в прозрачной среде, должна излучать свет, если ее скорость превышает фазовую скорость света в этой среде. Эффект Вавилова Черенкова лежит в основе работы детекторов быстрых заряженных частиц (черенковских счетчиков). Черенков принимал участие в создании первых электронных ускорителей синхротронов, в частности синхротрона на 250 МэВ (Государственная премия СССР, 1952). Выполнил цикл работ по расщеплению легких ядер высокоэнергетическими g-квантами (Государственная премия СССР, 1977).
Умер Черенков в Москве 6 января 1990.
Черенков П.А. Видимое свечение чистых жидкостей под действием g-радиации. Доклады АН СССР, 1934, т. 2, № 8
Павел Александрович Черенков (к 70-летию со дня рождения). Успехи физических наук, т. 113, вып. 3, 1974