Charles Hard Townes è originario di Greenville, nella Carolina del Sud (USA), città in cui terminò le scuole secondarie. Frequentò inizialmente la facoltà di biologia, ma dopo appena due anni scoprì un interesse per la fisica; ottenne così la laurea in fisica alla Furland University della sua città. Nel 1939 iniziò a lavorare come ricercatore nei Bell Telephone Laboratories, dove rimase fino al 1947, per passare poi alla Columbia University.
Nel corso della seconda guerra mondiale, e negli anni immediatamente successivi, condusse alcune ricerche nel campo dei sistemi radar e della radioastronomia, materia che in quegli anni stava avendo un grande sviluppo. In seguito, passò a occuparsi dei metodi fisici per l' individuazione delle molecole e, in particolare, di spettroscopia. La sua fama è legata in particolare all'invenzione del maser , sigla formata dalle iniziali della denominazione inglese Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ovvero "amplificazione di microonde mediante emissione stimolata di radiazione". Nel corso delle ricerche condotte alla Columbia University sull'interazione tra radiazioni e molecole, Townes aveva scoperto che in determinate condizioni le molecole possono amplificare le onde elettromagnetiche da cui sono colpite. Le sue ricerche riguardavano in particolare il comportamento dell'ammoniaca stimolata da microonde. Il fisico ideò un sistema per il quale le molecole di ammoniaca, quando venivano stimolate da microonde, emettevano radiazioni elettromagnetiche di intensità maggiore rispetto a quella caratteristica delle onde che le avevano colpite e, inoltre, in modo assolutamente regolare nel tempo, cosicché quest'emissione di energia "scandiva il tempo": si trattava del maser. L'amplificatore di onde elettromagnetiche ha subito ulteriori sviluppi, e ha trovato applicazione in svariati campi, come la chirurgia, la spettroscopia, la saldatura, il radar e le comunicazioni. Grazie al maser si sarebbe arrivati al primo orologio atomico.
Il prototipo di questo apparecchio fu costruito da Townes nel 1954 insieme ai suoi colleghi H. Z. Zeiger e J. P. Gordon. Lo sviluppo di queste ricerche avrebbe condotto in seguito all'invenzione del laser , un amplificatore delle onde di luce.
Townes continuò i suoi studi anche quando divenne direttore del Dipartimento di fisica della Columbia University. Le sue scoperte gli valsero nel 1959 la nomina a direttore delle ricerche dell'Institute for Defense Analysis di Washington, ruolo che mantenne fino al 1962. Mentre ricopriva vari incarichi anche presso imprese private, nel 1961 fu nominato rettore e professore di fisica al Massachusetts Institute of Technology (MIT), un prestigioso centro di ricerca applicata statunitense. Ritenuto competente e affidabile dal governo statunitense, tra il 1966 e il 1970 è stato membro dello Science Advisory Committee, la commissione che funziona come organo di consulenza scientifica per il presidente degli Stati Uniti. Per i suoi studi sul maser e sul laser ha ricevuto il premio Nobel per la Fisica nel 1964, insieme ai russi Nikolaj G. Basov (n. 1922) e Aleksandr M. Prochorov (n. 1916).
