Wilson je rođen 14. februara1869. u Midlothianu, kao sin farmera Johna Wilsona i Annie Clerk Harper. Otac mu je umro 1873, nakon čega se porodica seli u Manchester. Iako je u početku studirao biologiju s ciljem da postane ljekar, kasnije se, tokom boravka u Cambridgeu, zainteresirao za hemiju i fiziku.
Ubrzo mu je poraslo zanimanje za meteorologiju, pa je 1893. počeo proučavati oblake i njihove osobine. Neko je vrijeme radio u opservatoriju na Ben Nevisu, gdje je proučavao formiranje oblaka. Kasnije je i sam pokušao proizvesti isti učinak, ali na manjoj površini. To je radio tako što je raspršivao vlažni zrak unutar zatvorene posude. Kasnije je eksperimentirao sa stvaranjem tragova oblaka u svojoj posudi pomoću iona i radijacije. Tada je i nastala Wilsonova komora, za koju je i dobio Nobelovu nagradu.
Wilson se 1908. oženio Jessie Fraser, kćerkom jednog ministra iz Glasgowa, s kojom je imao četvoro djece. Preminuo je u Edinburghu 15. novembra 1959. okružen svojom porodicom.
