En 1902 graduouse na escola secundaria de Bloomington, e entrou, grazas a unha bolsa na Universidade de Chicago. Grazas á recomendación de Robert A. Millikan, en 1905 Davisson foi contratado na Universidade de Princeton como profesor de física. En 1908 obtivo o seu Bachelor of Sciences no cal traballou principalmente durante os veráns, xa que durante o resto do ano traballaba en Princetown. Mentres traballaba como mestre nesa mesma universidade, fixo a súa tese doutoral con Owen Richardson. En 1911 obtivo o seu doutoramento en física pola universidade de Princeton; o mesmo ano no que casou con Charlotte, irmá de Richardson coa que tivo catro fillos.
De 1916 a 1946 traballou no departamento técnico de Telephone Bell Laboratories. En 1927, en colaboración con Lester Halbert Germer, descubriu a difracción dos electróns polos corpos cristalinos, o que serviu para confirmar experimentalmente as teorías da mecánica ondulatoria.
