Este trabajo fue considerado en su momento como «la más brillante tesis doctoral escrita nunca en astronomía».
[1][2] Cecilia Helena Payne fue una de los tres hijos de Emma Leonora Helena y Edward John Payne, este último un músico e historiador londinense.
[cita requerida] Estudió inicialmente botánica, física y química en la Universidad de Cambridge.
En 1925 se convirtió en la primera persona en lograr un doctorado en el área de astronomía en el Radcliffe College, y lo hizo gracias a su disertación sobre Atmósferas estelares, una contribución al estudio de observación de las altas temperaturas en las capas inversas de las estrellas (Stellar Atmospheres, A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars).
En un viaje a través de Europa en 1933 conoció al astrofísico ruso Sergei I. Gaposchkin en Alemania.