Później kontynuował pracę naukową w University of Cambridge pod okiem Freda Hoyle’a.
Praca naukowa Zainteresowania Davisa obejmują fizykę teoretyczną, kosmologię i astrobiologię. Jego badania obejmowały głównie kwantową teorię pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Jego wyróżniający się wkład obejmuje tak zwany efekt efekt Unruha, zgodnie z którym, obserwator przyspieszający w pustej przestrzeni jest zanurzony w promieniowaniu cieplnym, oraz tak zwany stan próżni Buncha–Daviesa, leżący u podstaw fluktuacji mikrofalowego promieniowania tła, pozostałości po Wielkim Wybuchu. Praca napisana wspólnie ze Stephenem Fullingiem i Williamem Unruhem była pierwszą pracą, w której zasugerowano, że czarne dziury parujące w wyniku efektu Hawkinga tracą masę w rezultacie strumienia ujemnej energii promieniującej do morza otaczającej przestrzeni. Davies zajmował się także problemem strzałki czasu. Był także jedną z pierwszych osób, które propagowały teorię, że życie na Ziemi może pochodzić ze skał Marsa wyrzuconych w wyniku zderzeń z asteroidami i kometami. Podczas swojego pobytu w Australii pomógł utworzyć Australijskie Centrum Astrobiologii.