Окончил Колумбийский университет, физик по специальности. С 1945 г. полностью посвятил себя литературной карьере.
Уилсон начинал с остросюжетных книг, но наиболее известные и значительные его романы связаны с темой науки и жизни ученых — прежде всего, это книги «Встреча на далеком меридиане» (англ. Meeting at a far meridian), «Живи с молнией» (англ. Live with Lightning, 1949) и «Брат мой, враг мой» (англ. My Brother, My Enemy, 1952). В последней герои работают над изобретением телевидения — с одним из главных его изобретателей, Владимиром Зворыкиным, Уилсон был близко знаком. Тема ответственности ученого за свои изобретения и их дальнейшую судьбу и тонкий психологический анализ внутреннего мира человека науки сделали эти книги Уилсона популярными в США и особенно в Советском Союзе 1960-70-х гг. Среди работ Уилсона также ряд научно-популярных книг. По одному из его романов снят фильм «Женщина на берегу» Жана Ренуара (1947).
В романе «Брат мой, враг мой» Митчел Уилсон использовал дневники Б. П. Грабовского, который первый в мире смог в 1928 году продемонстрировать передачу движущегося изображения с помощью полностью электронной системы телевидения.