威尔逊从加利福尼亚大学柏克莱分校取得文学学士、博士学位，博导欧内斯特·劳伦斯，读研期间在劳伦斯伯克利国家实验室参与研发回旋加速器。后前往普林斯顿大学，和亨利·德沃尔夫·史迈斯一起研究使用同位素分离分离铀的同位素。1943年，威尔逊和他的一些同事投身曼哈顿计划，前往洛斯阿拉莫斯实验室，威尔逊牵头回旋加速器研发组（R-1）。