Charlotte Bühler ble født i Berlin av jødiske foreldre. Hun studerte filosofi og medisin ved Universitetet i Berlin og Freiburg og tok i 1918 doktorgrad i psykologi ved Universitetet i München. Sammen med ektemannen Karl Bühler (de hadde giftet seg i 1916) flyttet hun deretter til Dresden og 1922 til Wien, der hun i 1929 ble utnevnt til professor i barnepsykologi ved universitetet. Forskningen hennes ble lagt merke til internasjonalt, og hun hadde forskningsopphold og opprettet klinikker i bl.a. USA og Storbritannia.