Brattain sinh tại Hạ Môn, Trung Quốc ngày 10.2.1902, là con của Ross R. Brattain và Ottilie Houser. Thời niên thiếu, ông sống ở Springfield, Oregon và lớn lên trong một trại chăn nuôi bò của gia đình ở Tonasket, Washington tại Hoa Kỳ. Ông đậu bằng cử nhân vật lý và Toán học ở Whitman College tại Walla Walla, Washington năm 1924 và bằng thạc sĩ ở Đại học Oregon năm 1926. Sau đó ông di chuyển về miền Đông, học ở Đại học Minnesota và đậu bằng tiến sĩ vật lý năm 1929 dưới sự hướng dẫn của John T. Tate Sr., với bản luận án về tác động điện tử trong hơi thủy ngân. Năm 1928 và 1929 ông làm việc ở National Institute of Standards and Technology (Viện quốc gia Tiêu chuẩn và Công nghệ) tại Washington, D.C., và từ năm 1929 ông làm việc ở Bell Labs.