Son travail de doctorat sur le rayonnement ultraviolet l'a conduit à l'identification de certaines raies que l'on observait dans le spectre des nébuleuses, et que l'on attribuait jusque là à un élément hypothétique appelé le nébulium. 

Bowen a expliqué qu'il s'agissait en fait des raies attribuables à des éléments connus, mais émises seulement dans les conditions de vide spécifiques du milieu interstellaire (raies dites interdites). Il a été directeur de l'observatoire du mont Wilson entre 1946 et 1948, et des observatoires du mont Wilson et du mont Palomar entre 1948 et 1964.