Шотландский физик Чарльз Томсон Рис Вильсон родился на ферме недалеко от Гленкорса, в семье Джона Вильсона, фермера, разводившего овец, и Энни Кларк Вильсон (в девичестве Харпер) из Глазго. Вильсон, большую часть своей жизни известный как Ч-Т-Р, был самым младшим из восьми детей, которых имел его отец от двух браков. Мальчику было четыре года, когда его отец умер и семья переехала в английский город Манчестер, где им большую поддержку оказали родственники. Посещая Гринхейскую академическую школу в Манчестере, Чарльз проявил интерес к естественным наукам, никогда не пропуская возможности приготовить препараты для наблюдения под микроскопом. После окончания школы в 1884 г. он, пользуясь финансовой поддержкой своего сводного старшего брата Уильяма, поступил в Оуэнс-колледж (ныне Манчестерский университет). Там он изучал науки в течение трех лет и получил степень бакалавра в 1887 г. Затем он остался в колледже еще на один год для изучения философии, латыни и греческого языка.

В 1888 г. В. поступил в Сидней-Сассекс-колледж в Кембридже на средства стипендиального фонда. Хотя, поступая в Оуэнс-колледж, он собирался изучать медицину, теперь он был убежден, что его призвание - физика. Получив степень в Кембридже в 1892 г., Вильсон остался там для проведения научных исследований, но, поскольку его брат Уильям умер в том же году, семья нуждалась теперь уже в его денежной помощи. Он оставил Кембридж в 1894 г., чтобы стать учителем в Брэдфордской средней школе, но спустя небольшое время почувствовал, что его тянет вернуться назад и продолжить свои исследования. Зарабатывая на жизнь в качестве лаборанта при студентах-медиках, он продолжал эксперименты в Кавендишской лаборатории, возглавляемой Дж. Томсоном, чьи собственные исследования привели вскоре к открытию электрона.

Поднявшись во время отдыха в 1894 г. на Бен-Невис, горную вершину в Шотландии, Вильсон остался под впечатлением оптических феноменов, таких, как кольца вокруг Солнца, которые образуются, когда Солнце светит сквозь облака и туман; это дало толчок его научным исследованиям. В начале следующего года он приступил к попыткам воспроизвести эти явления в лаборатории с помощью прибора, названного камерой расширения, который предназначался для имитации тумана и дождя. "Почти немедленно, - вспоминал он впоследствии, - я натолкнулся на нечто, представляющее гораздо больший интерес, чем оптические феномены, которые я намеревался изучать". Было известно, что водяные пары в воздухе конденсируются вокруг частиц пыли, служащих ядрами для капель, и считалось, что облака не могут образоваться в атмосфере, свободной от пыли. Однако Вильсон обнаружил, что если удалить всю пыль из камеры, используя повторную конденсацию и осаждение, то туман и дождь все еще будут образовываться, если концентрация водяных паров в воздухе достаточно высока. Это открытие привело его к догадке, что водяные капли могут образовываться, конденсируясь вокруг ионов (электрически заряженных атомов или молекул).

Изучая открытые Вильгельмом Рентгеном в конце 1895 г. ?-лучи (рентгеновские лучи), ученый использовал примитивную рентгеновскую трубку, чтобы заряжать воздух в своей камере. Образующийся при этом плотный туман подтверждал не только его теорию конденсации, но и существование (подвергавшееся в то время сомнению некоторыми физиками) атомов, молекул и ионов. В процессе этой работы он весьма существенно улучшил конструкцию своей камеры, которая стала известна как конденсационная (ионизационная) камера.

Летом 1895 г. Вильсон вновь побывал в шотландских горах, где гроза, от которой "поднимались волосы на голове", возбудила в нем интерес к исследованию электрического поля Земли. В 1896 г. он был награжден стипендией Клерка Максвелла в Кавендишской лаборатории и следующие три года изучал ионную конденсацию и атмосферное электричество. Благодаря его скрупулезной экспериментальной работе удалось получить важную информацию относительно поведения ионов в газах и их влияния на атмосферу.

В 1899 г. ученый провел исследования для Метеорологического совета; в следующем году он был избран членом совета Сидней-Сассекс-колледжа и назначен лектором. Он продолжал свои исследования в Кавендишской лаборатории, проводя эксперименты с конденсационной камерой вплоть до 1904 г.; после этого его все более начало интересовать изучение атмосферного электричества. Он изобрел новую форму электроскопа (прибора для измерения напряжения), который был в 100 раз более чувствительным, чем прежние модели, и с помощью такого прибора ему стало доступно измерение электрического поля в атмосфере.

Чарльз Вильсон вернулся к работе по конденсации в 1910 г., намереваясь использовать камеру для регистрации пролетающих внутри атомных частиц. Своим зарядом альфа-частицы (ядра атома гелия) и бета-частицы (электроны) на отрезке пути ионизируют молекулы газа. Он решил, что водяной пар, конденсирующийся вокруг ионизированных молекул, должен образовывать следы, которые можно фиксировать на фотоэмульсии. Приспособив камеру для этой цели, он сообщил в 1911 г., что видел впервые "восхитительные облачные следы", сконденсировавшиеся вдоль треков альфа- и бета-частиц. Фотографии треков, сделанные им, произвели глубокое впечатление в научном мире. Они служили зримым свидетельством частиц, чье существование до той поры устанавливалось лишь косвенно, причем частицы можно было отличать друг от друга с невероятной четкостью.

В 1913 г. ученый был назначен наблюдателем в области метеорологической физики в обсерватории физики Солнца в Кембридже, где он оставался до 1918 г., продолжая проводить исследования со своей камерой и изучая атмосферное электричество. Во время Первой мировой войны он работал над проблемой защиты воздушных судов от пожаров, вызванных молнией и другими электрическими разрядами.

Что-либо подобное ионизационной камере Вильсона, писал Дж. Дж. Томсон, "трудно сыскать; она служит примером изобретательности, проницательности, умения работать руками, неизменного терпения и несгибаемой целеустремленности". Эта работа стала той основой, на которой проводили свои дальнейшие исследования П.М.С. Блэкетт, Петр Капица, Вальтер Боте, Ирен Жолио-Кюри и другие. Позитрон и другие элементарные частицы были открыты с помощью ионизационной камеры Вильсона, которая стала также неоценимым инструментом для исследования космических лучей. Ученый продолжал работы с камерой до 1923 г., когда опубликовал результаты своих исследований в двух последних статьях. В одной из них давалось экспериментальное подтверждение тому, что при взаимодействии рентгеновских лучей с атомами оттуда выбиваются электроны, - факт, предсказанный ранее в том же году Артуром Х. Комптоном.

Начиная с 1923 г. Вильсон сосредоточился в основном на изучении атмосферных явлений, изобретал приборы, позволяющие измерить суммарный заряд, переносимый молнией, и другие характеристики гроз. Представления Вильсона о происхождении электрических полей в грозах и атмосфере были новаторским вкладом в понимание этих явлений. С 1925 г. по 1934 г. он был профессором натурфилософии в Кембридже.

В 1927 г. Чарльз Вильсон был награжден Нобелевской премией по физике "за метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара". "Хотя с той поры, как вы предложили свой элегантный метод конденсации, утекло немало времени, - сказал Кай Сигбан, член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреата, - значение вашего открытия за это время значительно возросло как благодаря вашим неутомимым исследованиям, так и вследствие результатов, полученных другими".

Кроме Нобелевской премии, он был награжден медалями Хьюза (1911), Королевской (1922) и Копли (1935) Лондонского королевского общества, а также премией Хопкинса Кембриджского философского общества (1920), премией Ганнинга Эдинбургского королевского общества (1921) и медалью Говарда Поттса Франклиновского института (1925). Ему было пожаловано дворянство в 1937 г. Кроме того, он был обладателем многочисленных почетных научных степеней.