Né à Glencorse (Écosse), Wilson fait ses études à Manchester, puis à l'université de Cambridge. Après quatre ans d'enseignement en Angleterre, il se consacre à la recherche à partir de 1896, date de son retour à Cambridge. Il y occupera par la suite les fonctions de professeur jusqu'à sa retraite, en 1936. À la fin des années 1890, Wilson entreprend ses premières expériences sur la chambre à brouillard, appareil destiné à observer les interactions entre la vapeur d'eau et la lumière. Les physiciens de l'époque pensaient que les gouttelettes d'eau ne se forment qu'autour de particules de poussière. Wilson constate, en fait, qu'elles peuvent aussi se former autour de particules chargées, c'est-à-dire des ions, notamment ceux que créent sur leur passage les rayons X. La série de gouttes qui se constituent alors dans l'air dessine une trajectoire continue, rendue particulièrement visible lorsqu'on dirige une puissante lumière sur la chambre. Si l'on applique un champ magnétique à la chambre à brouillard, les ions suivent des trajectoires courbes, variant selon la nature et la valeur de la charge, la masse de l'ion, et aussi selon la force et l'orientation du champ magnétique. Ces trajectoires, photographiées et analysées, permettent de déterminer les caractéristiques des ions. Pour cette découverte, Wilson a reçu le prix Nobel de physique en 1927, conjointement avec le physicien américain Arthur Holly Compton.

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