İskoçya'da Edinburgh yakınlarındaki Glencorse'da doğdu. 4 yaşında babasını kaybedince, annesi ile birlikte İngiltere'de Manchester şehrine taşındılar. Owen's Kolleji'nde (şu anda Manchester Üniversitesi) eğitimine başladı. Fizik tedavicisi olmak istediğinden ilk yıllarında biyoloji derslerine ağırlık verdi. 1888 yılında Cambridge Üniversitesi'nden burs kazandı. 1892 yılında mezun olduğunda artık fizik ve kimya onun için daha önem taşımaktaydı.

1893 yılında meteorolojiye ilgi duymaya başladı. 1894 yılında Ben Nevis gözlemevinde bulut oluşumlarını incelemeye başladı. Bulut formasyonlarından çok etkilenen Wilson, bulutları Cambridge'teki laboratuvar ortamında oluşturma çalışmalarına girdi. Buhar içeren havayı kapalı bir ortamda genleştirerek deneyler yapmaktaydı. Bu deneyler sırasında iyonların hareketini gözlemleyen Wilson, yeni keşfedilen x ışınlarını kullanarak havanın daha iletken olduğunu keşfetmişti. Yıllar geçtikçe deney ortamını geliştirdi ve sonradan çok kullanılacal sis odasını meydana getirdi.

1911 yılında alfa ve beta parçacıklarının izlediği yolu fotoğraflayan ilk bilim adamıydı. 1923 yılında elektronların izlediği yollar üzerine 2 makale çıkardı. Ve bundan sonra sis odası nükleer araştırmalarda önemli bir yer etti.