Welchman byl jedním ze čtyř prvních zaměstnanců Bletchleyova parku (dalšími byli Alan Turing, Hugh Alexander a Stuart Milner-Barry). Byli také čtyřmi signatáři dopisu Winstonu Churchillovi z října 1941, v němž žádali o více prostředků pro práci na lámání kódů v Bletchley Parku. Churchill jim odpověděl jedním ze svých písemných komentářů "Action This Day".
Welchmanova hlavní práce v Bletchley byla "analýza provozu" šifrované německé komunikace. To znamená, že nejprve hledal nárůst signálů. Významné události ve válce jsou předem signalizovány obrovským nárůstem zpráv. Za druhé, existují standardizované části zprávy, jako je původce zprávy, cíl zprávy, informace o čase/datu atd. Ty se dešifrují mnohem snáze než vlastní obsah zprávy. Tento přístup vyvinul Welchman. Dnes jej označujeme jako analýzu "metadat".
Welchman pomáhal vylepšit návrh polského elektromechanického stroje na luštění šifry Enigma, bomby, který navrhl Alan Turing. Díky Welchmanově "diagonální desce" bylo zařízení mnohem účinnější při útoku na šifry německého stroje Enigma. Bomby se během války staly hlavní mechanickou pomůckou při luštění šifer Enigmy. Urychlily hledání aktuálního nastavení pořadí kol používaného u strojů Enigma. Nastavení se měnilo často, zpočátku nejméně jednou denně.
Welchman byl původně vedoucím oddělení Hut Six v Bletchley Parku, které bylo zodpovědné za rozluštění šifry Enigma německé armády a letectva. Během svého působení v Bletchley Welchman oponoval snahám inženýra Tommyho Flowerse o počítač Colossus (první programovatelný elektronický počítač na světě), protože Colossus používal vakuové elektronky.
V roce 1943 se stal zástupcem ředitele odpovědným za mechanizaci a měl na starosti také kryptografické spojení s USA.