Etter at hans far døde i 1873, flyttet familien til Manchester. Wilson ble utdannet ved Owen's College hvor han studerte biologi for å bli lege. Han flyttet så til Sidney Sussex College, Cambridge, hvor han ble interessert i fysikk og kjemi.[7] Etter dette ble Wilson spesielt interessert i meteorologi, og i 1893 begynte han å studere skyer og deres egenskaper. For en tid jobbet han ved observatoriumet ved Ben Nevis, hvor han utførte observasjoner av skyformasjoner. Han forsøkte så å reprodusere disse effektene i en mindre skala ved å utvide fuktig luft i en forseglet beholder ved laboratoriet i Cambridge. Senere eksperimenterte han med å skape spor av skyer forårsaket av ioner og stråling. For oppfinnelsen av tåkekammeret ble han tildelt Nobelprisen i 1927.
Wilson giftet Jessie Fraser i 1908, datter av en minister fra Glasgow, og paret hadde fire barn. Han døde i nærheten av Edinburgh, omgitt av familien sin.
