Charles Hard Townes naskiĝis kiel filo de advokato Henry Keith Townes kaj ties edzino Ellen (Hard) Townes. Li lernis en publika lernejo en Greenville kaj ekstudis en la Furman University en Greenville, kiun li finis en 1935 kun baĥeloro pri scienco en fiziko kaj baĥeloro pri artoj en modernaj lingvoj, per „summa cum laude“. Post la majstriĝo en fiziko ĉe la Duke University en 1936, li doktoriĝis en 1939 ĉe California Institute of Technology pri izotopa divido kaj atomkerna spino. Li laboris inter 1933 kaj 1947 ĉe Bell Laboratories, kie li laboris dum la Dua Mondmilito pri apliko de radaro ĉe bomboj. Li evoluigis por tio radarsistemojn kun ĉiam pli mallongaj ondolongoj. Li iĝis en 1948 Associate Professor kaj en 1950 profesoro pri fiziko ĉe la Columbia University. Li estis de 1950 ĝis 1952 Executive Director (Afergvidanto) de Columbia Radiation Laboratory kaj de 1952 ĝis 1955 vicprezidanto de la fizika fakultato. De 1959 ĝis 1961, li estis vicprezidanto kaj direktoro pri esplorado ĉe Institute for Defense Analyses en Vaŝingtono, neprofita organizaĵo, kiun funkciigas 11 universitatoj kaj ĝi donas konsilojn al la registaro. Li iĝis en 1961 provosto kaj profesoro pri fiziko ĉe Massachusetts Institute of Technology, sed li rezignis kiel provosto en 1966, por pli forte koncentriĝi je la esplorado. Li iĝis en 1967 profesoro en la Kalifornia Universitato, precipe en la Kalifornia Universitato de Berkeley. Ekde 1986 li agadas tie kiel Professor Emeritus.
Townes estis intertempe vicprezidento de la Science Advisory Committee de la prezidento kaj en diversaj pluaj registaraj komitatoj (inter alie en la scienca konsila gremio pri la surluniĝo kaj pri la MX-raketoj). Li agadis ankaŭ en la kontrola komitato de General Motors kaj de Perkin Elmer.
Townes geedziĝis en 1941 kun Frances H. Brown kaj havas kvar filinojn, nome Linda Rosenwein, Ellen Anderson, Carla Kessler kaj Holly Townes. Li estas bopatro de Arthur L. Schawlow, kiu geedziĝis kun lia pli juna fratino Aurelia en 1951.
Laborinte en Bell Laboratories dum la Dua Mondmilito, Townes planis radarbomban sistemon kaj patentigis multajn teknologiojn por tio. Post la Dua Mondmilito, li koncentriĝis je apliko de mikroonda teknologio el la radaresplorado en la spektroskopio.
Li evoluigis en 1952 ideon de masero, kio kondukis en 1954 al funkcikapabla aparato por fortigo kaj produktado de elektromagnetaj ondoj tra stimulita emisio.
