Welchman was een van de vier vroege rekruten voor Bletchley park (de anderen waren Alan Turing, Hugh Alexander en Stuart Milner-Barry). Zij waren ook de vier ondertekenaars van de brief aan Winston Churchill in oktober 1941, waarin werd gevraagd om meer middelen voor het codebrekerswerk in Bletchley Park. Churchill reageerde met een van zijn "Action This Day" geschreven commentaren.
Welchman's belangrijkste werk in Bletchley was "verkeersanalyse" van gecodeerde Duitse communicatie. Dit is ten eerste het zoeken naar een toename van signalen. Grote gebeurtenissen in oorlogsvoering worden vooraf gesignaleerd door een enorme toename van berichten. Ten tweede zijn er gestandaardiseerde delen van een bericht, zoals de oorsprong van het bericht, de bestemming van het bericht, tijd/datum informatie, enzovoort. Deze zijn veel gemakkelijker te ontcijferen dan de eigenlijke berichtinhoud. Welchman ontwikkelde deze aanpak. Tegenwoordig noemen we dit "metadata"-analyse.
Welchman hielp Alan Turing's ontwerp van de Poolse elektromechanische Enigma-codeermachine, de bombe, te verbeteren. Welchman's 'diagonale bord', maakte het apparaat veel efficiënter in de aanval op de cijfers van de Duitse Enigma machine. Bommen werden het belangrijkste mechanische hulpmiddel bij het breken van Enigma cijfers tijdens de oorlog. Ze versnelden het zoeken naar de actuele wielvolgorde-instellingen die bij de Enigma-machines werden gebruikt. De instellingen werden vaak veranderd, aanvankelijk minstens één keer per dag.
Welchman was aanvankelijk hoofd van Hut Six, de afdeling in Bletchley Park die verantwoordelijk was voor het breken van de Enigma cijfers van het Duitse leger en de luchtmacht. Gedurende zijn tijd in Bletchley verzette Welchman zich tegen de inspanningen van ingenieur Tommy Flowers voor de Colossus computer (de eerste programmeerbare elektronische computer ter wereld), omdat Colossus vacuümbuizen gebruikte.
In 1943 werd hij adjunct-directeur belast met mechanisatie en was hij tevens verantwoordelijk voor cryptografische verbindingen met de VS.