Он развивает неоклассическую идею Бога и приводит модальное доказательство существования Бога как развитие онтологического доказательства Ансельма Кентерберийского. Основатель «процесс-теологии».
Хартшорн родился в Киттаннинге (штат Пенсильвания). Среди его братьев — известный географ Ричард Хартшорн. После окончания колледжа Гаверфорд в 1917 году, провёл два года в американской армии, служил при госпитале. В дальнейшем учился в Гарвадском университете, где за четыре года получил три степени: бакалавр (1921), магистр (1922) и доктор философии (1923). Тема докторской диссертации: «Единство бытия».
C 1923 по 1925 год Хартшорн продолжает обучение в Европе. Посещает Университет Фрайбургаа, где учится у феноменолога Эдмунда Гуссерля, и Марбургский университет, где учится у Мартина Хайдеггера. Возвращается в Гарвардский университет и работает научным сотрудником c 1925 по 1928 ггод, совместно с Полем Вайсом редактирует и готовит к изданию собрание сочинений Чарльза Сандерса Пирса (I—VI тома), также один семестр работает ассистентом Альфреда Норта Уайтхеда.
С 1928 по 1955 год он профессор философии Чикагского университета, с 1955 по 1962 год — университета Эмори, с 1962 года до выхода на пенсию — Техасского университета. Публикует последнюю статью в 96 лет, читает последнюю лекцию в 98 лет.
В дополнение к его многолетней преподавательской деятельности в трёх университетах он читал лекции и был гостевым профессором в Стэнфордском университете, Вашингтонском университете, Йельском университете, Франкфуртском университете, Мельбурнском университете и Университете Киото.
Интеллектуальное влияние на Хартшорна оказали: Мэтью Арнольд (произведение Литература и догма), эссе Ральфа Уолда Эмерсона, Чарльз Сандерс Пирс и Альфред Норта Уайтхед. Руф Мэтью Джоунс был его учителем в колледже и в дальнейшем ментором. Также он находил вдохновение в трудах Джосайя Ройса (Проблемы христианства), Уильяма Джемса, Анри Бергсона, Ральфа Бартона Пэрри и Николая Бердяева. Долгое время, более двадцати трёх лет, он вёл переписку с Шеффилдом Эдгаром Брайтманом из Бостонского университета о их философских и теологических взглядах. В свою очередь Хартшорн оказал плодотворное влияние на ряд теологов и философов.
Идеи и течение в теологии, связанное с именем Чарльза Хартшорна, обычно определяют как «процесс-теология». Корни «процесс-теологии» лежат в философии Гераклита. Современная концепция «процесс-философии» появляется в работах Уайтхеда и после Второй мировой войны получает развитие в «процесс-теологии» Хартшорна. Основные мотивы «процесс-философии»: эмпиризм, относительный характер времени, процесс и события.
Одним из терминов, которые Хартшорн широко использует для характеристики представлений о Боге в «процесс-теологии» является панентеизм (всё в Боге). В теологии Хартшорна Бог не идентичен с миром, но и не полностью независим от мира. Бог трансцендентен миру, но также мир содержится в Боге. Хартшорн утверждает, что представления о Боге в классическом христианском теизме противоречивы, и приводит модифицированные онтологические аргументы к вопросу существования Бога.