Чарльз Тилли родился 20 мая 1929 г. в городе Ломбард, штат Иллинойс, недалеко от Чикаго. Окончил среднюю школу Элмхерста, после которой окончил Гарвард. Он был старшим из 5 детей, все они впоследствии получили какое-либо специальное или высшее образование. Отец был простым клерком.
В колледже увлекался поэзией. Не любил историю и сначала не думал стать социологом. Но когда он записался на курсы Джорджа Хоманса, его интересы на счёт социологии изменились. Подрабатывал Тилли ночным сторожем, лаборантом, подсобным рабочим.
Высшее образование получил в Оксфордском и Гарвардском университетах. Защитил Ph.D. в Гарварде в 1958 году. Чарльз Тилли преподавал в университетах Делавэра, Гарвардском, Торонто, Мичигана и в Новой школе социальных исследований. В Колумбии он известен как Джозеф Л. Баттенвайзер, профессор социологии. За свою карьеру Тили написал более 600 статей, 51 книги и монограмм.
Он был почётным членом Национальной Академии Учёных (National Academy of Sciences), Американской академия искусств и наук, Американское Общество Философов (American Philosophical Society), Социально-Исследовательская организация (National Research Association) и Академии Одрдре Де Палма (Ordre de Palmes Academiques).
Научная деятельность Тилли затрагивает множество тем в социальных науках, таких как история и политика. Играет большую роль в развитии исторической социологии, повлиял на развитие вычислительных методов в историческом анализе.