Thornthwaite vokste opp i fattige kår i Bay County i Michigan. Gjennom militærtjenesten fikk han mulighet til å gå på college i Mount Pleasant, der han tok bachelor-grad i 1922. Etter noen år som lærer på high school, gjenopptok han studiene på University of California i Berkeley, der han i 1930 tok universitetets andre doktorgrad i geografi. Han hadde spesielt interesse for kartografi.