Эрнест Уолтон родился в городке Дунгарван в Ирландии. Его отец был священником методистской церкви. Почти все свое детство Уолтон провел в Ольстере. В то время было принято, что семьи священников переезжали с места на место каждые 3 года. В итоге, Эрнест учился в нескольких школах в графствах Доун и Тирон и в Дублине. С 1915 до 1921 года он учился в методистком колледже Белфаста.
В 1922 году Уолтон выиграл степендию и начал изучать физику и математику в Тринити-колледже Дублина, где получил диплом бакалавра в 1926 году и магистерский диплом в 1927 году. За годы обучения в Тринити-колледже Уолтон получил семь наград за успехи в изучении физики и математики. После получения диплома Уолтон был принят в аспирантуру Кембриджского университета в Кавендишскую лаборатория под руководство Эрнестa Резерфордa. Уолтон получил степень доктора философии в 1931 году и проработал исследователем в Кембридже до 1934 года.
Эрнест Уолтон вернулся обратно в Ирландию в 1934 г. и стал членом факультета физики Тринити колледжа в Дублине. В 1946 он был назначен профессором с почетным званием профессор натуральной и экспериментальной философии Тринити колледжа в Дублине. Уолтон был великолепным лектором, он умел подать сложные вопросы физики в простой и легкой для понимания манере. Однако, возможности для проведения экспериментальных исследований в Дублине были очень ограничены. Уолтон занимался исследованиями эффекта фосфоресценции в стеклах, вторичной электронной эмиссии с поверхности под воздействием ионной бомбардировки и развитием метода радиоуглеродной датировки и методов измерения радиоактивности (low level counting) тонких пленках на стекле.
В 1951 г. Эрнест Уолтон и Джон Кокрофт получили Нобелевскую премию по физике за свои "работы по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных частиц", проще говоря, за разрушение атомных ядер. На созданной ими установке впервые в мире в 1932 году было расщеплено ядро Li путем бомбардировки его протонами и исследованы продукты реакции (гелий). Практически одновременно такой же эксперимент впервые в СССР был проведен в УФТИ.
Уолтон и Кокрофт также получили медаль Хьюза Королевского Общества Лондона в 1938 г. В более поздние годы, особенно после отставки с поста профессора в 1974 г. Уолтон получил почетные степени от множества университетов и институтов мира.