Родился в городе Вустер, штат Огайо, США.
C 1918 г. занимался изучением рентгеновского излучения.
В 1921 г. предположил, что электрон может вращаться вокруг своей оси (имеет спин) и, по сути, представляет собой электромагнит.
В 1922 г. обнаружил и дал теоретическое обоснование эффекту изменения длины волны рентгеновского излучения вследствие рассеяния его электронами вещества, чем доказал существование фотона. За это открытие Комптон был награждён Нобелевской премией.
В 1941—1942 г. работал над созданием американской атомной бомбы.