Rainwater sinh ngày 9.12.1917 tại Council, Idaho, nhưng sau khi cha ông chết trong trận dịch cúm lớn 1918, ông đã di chuyển về Hanford, California. Ông đậu bằng cử nhân vật lý ở Học viện Công nghệ California năm 1939, rồi bằng tiến sĩ ở Đại học Columbia năm 1946. Ông giảng dạy Vật lý học ở Đại học Columbia từ năm 1946, và được phong chức giáo sư năm 1952.

Trong thời Chiến tranh thế giới thứ hai, ông làm việc ở Dự án Manhattan nhằm chế tạo bom nguyên tử. Năm 1949 – trái với những gì mà thời đó người ta tin tưởng - ông bắt đầu phát triển lý thuyết cho rằng không phải mọi hạt nhân nguyên tử đều có dạng hình cầu. Các ý tưởng này của ông sau đó được khảo sát và chứng thực bởi các thí nghiệm của Aage Niels Bohr và Ben Roy Mottelson. Rainwater cũng đóng góp vào kiến thức khoa học về các tia X. Ông cũng tham gia Ủy ban Năng lượng nguyên tử Hoa Kỳ cùng các dự án nghiên cứu của Hải quân Hoa Kỳ.