Таунс родился в Гринвилле, там же учился, в 1935 окончил Фурманский университет, в 1939 — в Калифорнийский технологический институт. В 1939—1948 он работал в фирме «Белл телефон», в 1948—1961 — в Колумбийском университете (с 1950 в должности профессора). В 1961—1966 Таунс являлся профессором и президентом Массачусетского технологического института, с 1967 возглавляет физический отдел Калифорнийского университета (Беркли). В 1967 он был избран президентом Американского физического общества.
Основные труды Таунса посвящены радиоспектроскопии, квантовой электронике и её приложениям, нелинейной оптике, радиоастрономии. Независимо от А.М. Прохорова и Н.Г. Басова выдвинул идею нового принципа генерации и усиления электромагнитных волн и на его основе совместно с сотрудниками создал первый квантовый генератор — мазер на аммиаке (1954). В 1958 совместно с А. Шавловым обосновали и запатентовали возможность создания оптического квантового генератора (лазера). В 1964 «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе», Таунс совместно с Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым был удостоен Нобелевской премии по физике.
Созданные лазеры Таунс применил для высокоточной проверки эффектов теории относительности, для проведения исследований в области биологии и медицины. В области нелинейной оптики Таунс обнаружил вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, ввел представление о критической мощности пучка света и явлении самофокусировки (1964), которое можно использовать в волноводной технике, экспериментально наблюдал эффект автоколлимации света (1966).
Таунс применил методы квантовой электроники и нелинейной оптики в астрофизике и совместно с другими в 1969 открыл мазерный эффект в космосе (излучение космических молекул воды на длине волны 1,35 см).