Ο Γουίλσον γεννήθηκε στο Midlothian της Σκωτίας. Πατέρας του ήταν ο αγρότης Τζον Γουίλσον και μητέρα τουη Άννι Κλερκ Χάρπερ. Μετά το θάνατο του πατέρα τουτο 1873, η οικογένειά του μετακόμισε στοΜάντσεστερ. Σπούδασε βιολογίαστοΠανεπιστήμιο του Μάντσεστερμε σκοπό να γίνει ιατρός. Ύστερα φοίτησε στοΠανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ όπου ενδιαφέρθηκε γιατηχημείακαιτηφυσική.[11]
Ο Γουίλσον, στη συνέχεια, άρχισε να ενδιαφέρεται ιδιαίτερα γιατημετεωρολογίακαιτο 1893 ξεκίνησε να μελετά τα σύννεφα και τις ιδιότητές τους. Εργάστηκε για κάποιο χρονικό διάστημα στο παρατηρητήριο τουΜπεν Νέβις, όπου έκανε παρατηρήσεις σχηματισμού νεφών. Προσπάθησε να αναπαραγάγει το φαινόμενο αυτό σε μικρότερη κλίμακα στο εργαστήριο του Κέιμπριτζ. Γιατην ανακάλυψη του, πήρε τοβραβείο Νόμπελ Φυσικήςτο1927.
Ο Γουίλσον νυμφεύθηκε το 1908 την Τζέσι Φρέιζερ, κόρη ιερέως από τηΓλασκώβη, μετην οποία απέκτησαν τέσσερα παιδιά. Πέθανε στοΕδιμβούργο.
Ο κρατήρας Γουίλσον στηΣελήνη ονομάστηκε προς τιμήν τουκαιτου Αλεξάντερ Γουίλσον καιΡαλφ Γουίλσον.
Ο σχηματισμός νεφών, που εμφανίζεται μετά από μια πολύ μεγάλη έκρηξη (όπως μια πυρηνική έκρηξη), πήρε το όνομά του.
Το Wilson Society, στις φυσικές επιστήμες της κοινωνίας του Sidney Sussex College, φέρει επίσης το όνομα του.
Τα αρχεία του Τσαρλς Γουίλσον συντηρούνται από τα Αρχεία του Πανεπιστημίου της Γλασκώβης (GUAS).
