1869年2月14日、英国エジンバラ近くの教区で誕生。父（ジョン・ウィルソン）は農民。

4才の時、父を失う。母とともに、マンチェスターへ。

当初は医者になるために生物学を学んだが断念し、物理学の道に進む。

1894年、晩夏のベンネヴィス（スコットランド最高峰）の頂上に立っているとき、コロナと「glories」（霧と雲に投影された色のついたリング）の美しさに感銘。彼はこれらの自然現象を研究室内で模倣する研究に着手。

1896年、「霧箱」のプロトタイプを作製。

1911年、個々のアルファ粒子やベータ粒子、電子の奇跡を観察し、それらを写真に撮ることに成功。

1927年、ノーベル物理学賞受賞

　「霧箱」による最大の業績は、コンプトン効果（コンプトンは、ウィルソンとともに1927年ノーベル物理学賞受賞）を実証したことであるが、その他にも「霧箱」は後の様々な研究成果を生み出す強力なツールとなる。　ラザフォード（1908年ノーベル化学賞受賞）は、「霧箱は科学史上、最も独創的で素晴らしい装置である」と絶賛した。

1959年11月15日、家族に見守られながら故郷エジンバラで永眠