[1]​[2]​ Nacido en San Francisco (California) e hijo de un abogado, Wilson mostró interés por la física desde muy joven.

Estudió astronomía y física en la Universidad de California en Berkeley y escribió su primer artículo científico en 1932 sobre la velocidad de la luz.

[2]​ Wilson trabajó en el Observatorio del Monte Wilson durante la mayor parte de su carrera investigadora, dedicada al estudio de las cromosferas estelares.

En 1977 recibió el Premio Henry Norris Russell y en 1984 la Medalla Bruce.

[2]​ En 2007 se le dio su nombre al asteroide (12138) Olinwilson.