Asistió a la escuela pública en Des Moines, Iowa, donde fue conocido como un estudiante concienzudo.
Posteriormente, cursó un máster en la Universidad de Illinois, que obtuvo en 1921 bajo la dirección del profesor Carl Marvel.
Fue aquí donde comenzó su investigación independiente que dio lugar a un artículo aceptado por el Journal of the American Chemical Society.
En este artículo midió las propiedades físicas del fenilisocianato y de la diazobenceno-imida (ahora conocida como fenilazida).
Nunca se contentó con seguir el camino trillado ni con aceptar las interpretaciones habituales de las reacciones orgánicas.
Eligió la investigación sobre polímeros porque el tema necesitaba una exploración teórica y tenía inmensas implicaciones comerciales[13].
El laboratorio en el que trabajaban estos científicos de alto nivel llegó a conocerse como "Purity Hall".
Este producto fue el primer caucho sintético y se conoce hoy en día como neopreno.
Sus esfuerzos pronto tuvieron un gran éxito cuando produjo un polímero sintético con un peso molecular de unos 12.000.
Esta ecuación muestra que para un peso molecular alto, se necesita una conversión fraccional muy alta (sólo para los polímeros de crecimiento escalonado).
Desgraciadamente, la fibra producida no pudo comercializarse porque volvía a ser una masa pegajosa cuando se colocaba en agua caliente.
En una carta a una amiga íntima, Frances Spencer, decía: "No parece haber mucho que contar sobre mis experiencias fuera de la química.
Ahora estoy viviendo en el campo con otros tres solteros, y ellos, que tienen inclinaciones sociales, han salido con sombreros altos y corbatas blancas, mientras que yo, según mi antigua costumbre, me siento hoscamente en casa".
Tenía un romance con una mujer casada, Sylvia Moore, que con su marido solicitó el divorcio en 1933.
[21] Concomitantemente se preocupaba por los problemas financieros de sus padres y planeaba llevarlos a Wilmington.
Carothers seguía viendo a Sylvia Moore, que ahora estaba soltera, y sus padres desaprobaban enormemente la relación.
Al encontrar la tensión en el hogar demasiado desgastante, sus padres regresaron a Des Moines en la primavera de 1934.
Ahora el equipo sustituyó los glicoles por diaminas para producir un tipo de polímero llamado poliamida.
El Dr. W. R. Peterson y el Dr. Donald Coffman llevaron a cabo el trabajo de laboratorio para este proyecto.
El trabajo de Carothers en superpolímeros lineales comenzó como una incursión sin límites en lo desconocido, sin ningún objetivo práctico en mente.
Tras este descubrimiento, el proyecto se centró en estos filamentos y el resultado fue el "Nylon".
[27] Era difícil trabajar con ella debido a su alto punto de fusión, pero Bolton eligió esta poliamida como la que desarrollaría comercialmente.
Un mes más tarde le dieron permiso para salir del hospital e ir de excursión a los Alpes tiroleses con unos amigos.
El plan era que hiciera senderismo con el Dr. Roger Adams y el Dr. John Flack durante dos semanas.
A partir de ese momento, no se esperaba que Carothers realizara ningún trabajo real en la Estación Experimental.