Wilson sinh tại giáo xứ Glencorse, Midlothian, là con của John Wilson và Annie Clerk Harper. Sau khi cha ông qua đời năm 1873, gia đình ông dọn về Manchester. Ông học sinh học ở Owen's College,với ý định sẽ trở thành thầy thuốc. Sau đó ông vào học ở Sidney Sussex College, Cambridge và chuyển sang học Vật lý học cùng Hóa học.[1]

Về sau, Wilson quan tâm đặc biệt tới Khí tượng học, nên năm 1893 ông bắt đầu nghiên cứu các đám mây và những đặc tính của chúng. Ông đã làm việc một thời gian ở đài thiên văn trên núi Ben Nevis, nơi ông quan sát sự hình thành đám mây. Sau đó ông tìm cách tái tạo hiệu ứng này trên một quy mô nhỏ hơn trong phòng thí nghiệm ở Cambridge, bằng cách làm cho không khí ẩm ướt giãn nở ra trong một container khép kín. Sau đó ông thí nghiệm cách tạo ra các vệt mây trong container bởi các ion và bức xạ. Ông đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1927 cho phát minh cloud chamber[2] này.