Payne relacionou a classificação estelar das estrelas às suas temperaturas absolutas, aplicando a teoria da ionização desenvolvida pelo físico Meghnad Saha. Ela mostrou que a grande variação nas linha espectral era devido a diferentes quantidades de ionização a diferentes temperaturas, não a diferentes quantidades de elementos. Ela descobriu que silício, carbono, e outros metais comuns vistos no espectro do Sol estavam presentes mais ou menos nas mesmas quantidades na Terra, como se acreditava na época. No entanto, ela descobriu que o hélio e particularmente o hidrogênio eram muito mais abundantes (para o hidrogênio, mais ou menos um milhão). Além disso, sua tese estabeleceu que o hidrogênio era o principal componente na constituição das estrelas (ver metalicidade), e portanto, o elemento químico mais abundante no universo.
Quando a tese de Cecília foi avaliada, o astrônomo Henry Norris Russell a desencorajou a apresentar as sua conclusão de que a composição do Sol era de predominantemente hidrogênio, e portanto, bastante distinta da composição química da Terra, pois contradizia a sabedoria da época. No entanto, ele mudou de idéia quatro anos depois, pois havia chegado ao mesmo resultado por meios diferentes e publicado. Embora tenha mencionado o trabalho dela brevemente, Russel ainda assim muitas vezes recebe o crédito pela descoberta, mesmo que seja sabido que foi Cecília quem descobriu tal coisa.[6][7]
Depois do seu doutorado, Cecilia estudou estrelas de alta luminosidade com o objetivo de entender a estrutura da Via Láctea. Mais tarde, pesquisou todas estrelas com magnitude superior a dez. Estudou estão estrelas variáveis, fazendo cerca de 1 250 000 observações com seus assistentes. Esse trabalho mais tarde se estendeu para as Nuvens de Magalhães, adicionando mais dois milhões de observações de estrelas variáveis. Esses dados foram usados para determinar os caminhos da evolução estelar. Suas observações e análises, com seu marido, das estrelas variáveis foi base para todo trabalho subsequente acerca delas.[5]