Einnig í 1934, Payne gift Rússneska-fæddur Harvard stjörnufræðingur og astrophysicist Sergei Gaposchkin. Þeir unnu saman að ýmsum breytilegum stjörnu verkefnum.
vinna Payne-Gaposchkin er á Harvard College Observatory var óopinber og unacknowledged. Ekkert af námskeiðum Hún kenndi við Harvard voru skráð í verslun þar 1945. Auk þess sá hún hvernig konur gerðum grunt vinna í sínu sviði. Í bakherbergjum á Observatory, konur erfiðað yfir útreikninga þarf til að mæla stjörnu staði og verslun bindi úrslitum annarra vísindamanna. Sumir þeirra höfðu byrjað með hár vísindi hæfileika, en hafði verið hugfallast í viðleitni þeirra. Þeir gætu misst vinnuna ef þau giftust eða ef þeir kvörtuðu um lágt laun þeirra. Árið 1938 Payne-Gaposchkin var gefið heiti Phillips stjörnufræðingur.
Eftir World War II (1939-1945), a nýr framkvæmdastjóri tók við Observatory. Loks árið 1956, eftir 31 ára bið, Payne-Gaposchkin fengið titilinn föstu prófessor í stjörnufræði við Harvard, stöðu sem hún haldin þar 1966. Hún var fyrsta konan til að verða fullkomlega fastráðinn prófessor við Harvard. Á sama tíma, varð hún fyrsta konan deildarforseti, stefnir Department Harvard stjörnufræðinnar frá 1956 til 1960. Her eigin baráttu sem kona á sviði karlar hjálpaði Payne-Gaposchkin orðið mikil stuðningsmaður ungu konur nemenda.
afreka Payne-Gaposchkin er í stjörnufræði voru fjölmargir. Hún uppgötvaði efnasamsetningu stjarna. Einkum, uppgötvaði hún að vetni og helíum eru algengustu þættir í stjörnum og. því í alheiminum. Hún ræðst líka stjörnuvinda hitastig. Hún lærði þetta af ítarlegum rannsóknum og greiningu á rófinu hár Birtustigsrásum stjörnum, (Stjörnufræðingar nota hugtakið ljómi fyrir the magn af orku stjarna gefur burt.) Þetta þátt Greini ljós frá stjörnum í fjarlægum vetrarbrautum við brottför í gegnum prisma, sem braut það upp í rainbowlike hljómsveitin litu
