Rainwater ble født i Council i Idaho, men flyttet etter farens død i 1918 til Hanford i California. Han tok kandidateksamen i fysikk ved California Institute of Technology i 1939 og fortsatte studiene ved Columbia University, der han doktorerte i 1946. Under andre verdenskrig arbeidet han på atombombeprosjektet. I 1949 begynte han å utarbeide teorien om at ikke alle atomkjerner, i motsetning til den allmenne oppfatningen, var sfæriske. Ideene hans ble senere tstet og bekreftet av Bohrs og Mottelsons eksperimenter.