Actualmente es reconocido por su descubrimiento en el año de 1909 y posterior estudio del yacimiento de fósiles del Burgess shale, en el Parque nacional Yoho de las Montañas Rocosas, en la provincia de Columbia Británica del Canadá. Aunque en vida también tuvo renombre por sus varias contribuciones al campo de la paleontología, al descubrir y nombrar él mismo varios de los ejemplares de dicho yacimiento, así como por haber llegado a ocupar puestos administrativos importantes en la comunidad científicaestadounidense.
Nacido en New York Mills (Nueva York), en 1879 ingresa al US Geological Survey (registro geológico gubernamental), del cual llegará a ser presidente en 1894.
Durante su desempeño profesional, se interesó especialmente en el período Cámbrico, realizando campañas de recolección de fósiles, así como su correlación con los estratos geológicos, efectuando contribuciones significativas a la estratigrafía. En 1907 abandonó voluntariamente el US Geological Survey para tomar el puesto de secretario del Instituto Smithsoniano, a la muerte de su anterior director Samuel Pierpont Langley, posición que lo convertiría en uno de los integrantes más influyentes de la comunidad científica de su país. Charles Walcott fue director de tal instituto hasta su propia muerte. En 1914 se casó con la artista y naturalista estadounidense Mary Vaux Walcott, que desempeñó un importante papel en los proyectos de su esposo.