퍼먼 대학교를 졸업하고 듀크 대학교에서 석사 학위를 받았고, 캘리포니아 공과대학에서 분자분광학으로 박사 학위를 받았다. 벨 연구소에 재직 중에 제2차 세계대전을 맞아 마이크로파 레이더를 개발하는 연구를 했고, 나중에 컬럼비아 대학교 교수가 되었다. 이 학교에서 연구하면서 메이저를 발명했고, 레이저의 아이디어를 발표했다. 이 업적으로 구소련의 물리학자 알렉산드르 프로호로프, 니콜라이 바소프와 함께 1964년에 노벨 물리학상을 받았다. 그 뒤에는 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스로 옮겨 가서 연구를 계속했고, 전파천문학 같은 분야에서도 많은 연구 업적을 쌓았다. 베트남 전쟁 때의 군사 자문, 아폴로 우주 계획의 과학기술 자문 등 미국 정부와 군대의 과학 자문을 맡아 오랜 기간 동안 핵심적인 역할을 했고, 제너럴 모터스 사의 기술자문위원회를 이끄는 등 과학자로서 산업계에도 크게 기여했다. 그의 경력을 보면 미국이 과학에 얼마나 많은 관심을 기울이고 지원하는지, 그리고 과학자들이 미국 정부와 사회에 어떻게 기여하는지 엿볼 수 있다. 독실한 기독교도였던 타운스는 2005년에 종교계의 노벨상이라고 부르는 템플턴상을 받았다.
