Welchman var en av fyra tidiga rekryteringar till Bletchley Park (de andra var Alan Turing, Hugh Alexander och Stuart Milner-Barry). De var också de fyra undertecknarna av brevet till Winston Churchill i oktober 1941, där de bad om mer resurser till kodknäckningsarbetet vid Bletchley Park. Churchill svarade med en av sina skriftliga kommentarer i form av "Action This Day".
Welchmans huvudsakliga arbete på Bletchley var "trafikanalys" av krypterad tysk kommunikation. Detta innebär att man först och främst letar efter en ökning av signalerna. Större händelser i krigsföring signaleras i förväg genom en enorm ökning av meddelanden. För det andra finns det standardiserade delar av ett meddelande, såsom meddelandets ursprung, meddelandets destination, information om tid och datum och så vidare. Dessa är mycket lättare att tyda än själva meddelandets innehåll. Welchman utvecklade detta tillvägagångssätt. I dag beskriver vi detta som analys av "metadata".
Welchman hjälpte till att förbättra Alan Turings konstruktion av den polska elektromekaniska Enigma-krypteringsmaskinen, bomben. Welchmans "diagonala bräda" gjorde anordningen mycket effektivare vid angreppet på den tyska Enigma-maskinens chiffer. Bomberna blev det viktigaste mekaniska hjälpmedlet för att bryta Enigmachiffren under kriget. De påskyndade sökandet efter aktuella inställningar för hjulordning som användes med Enigma-maskinerna. Inställningarna ändrades ofta, till en början minst en gång om dagen.
Welchman var ursprungligen chef för Hut Six, den sektion på Bletchley Park som ansvarade för att knäcka den tyska arméns och flygvapnets Enigmachiffer. Under sin tid på Bletchley motsatte sig Welchman ingenjören Tommy Flowers arbete med Colossus-datorn (världens första programmerbara elektroniska dator) eftersom Colossus använde vakuumrör.
1943 blev han biträdande direktör med ansvar för mekanisering och hade även ansvar för kryptografiska förbindelser med USA.