Naceu na parroquia de Glencorse (preto de Edimburgo). Fillo dun granxeiro, John Wilson, e de Annie Clerk Harper. Despois de que o seu pai morrese en 1873, a súa familia trasladouse a Manchester. Foi educado no Owen's College (unha das orixes da Universidade de Manchester), estudando bioloxía coa intención de controvertese en médico. Despois foi á Universidade de Cambridge onde se interesou pola física e a química.
A partir de entón interesouse particularmente na meteoroloxía, e en 1893 comezou a estudar as nubes e as súas propiedades. Traballou durante algún tempo no observatorio de Ben Nevis, onde fixo observacións da formación das nubes. Entón intentou reproducir este efecto nunha escala menor no laboratorio de Cambridge, expandindo aire húmido nun recipiente pechado. Posteriormente fixo experimentos coa creación de rastros de nube na súa cámara causada por ións e radiación. Pola invención da cámara de néboa recibiu o Premio Nobel de Física en 1927.
Casou con Jessie Fraser en 1908, a filla dun ministro de Glasgow, e a parella tivo catro fillos. Morreu preto de Edimburgo, rodeado da súa familia.
