1916-ban kapott Ph.D. fokozatot a Princetoni Egyetemen. 1920-ban St. Louisban a Washington Egyetem fizikatanszékének vezetője lett. 1923-ban nevezték ki a Chicagói Egyetem fizikaprofesszorává, ahol 1942 és 1945 között a metallurgiai laboratóriumot vezette. 1945-ben a Washington Egyetem rektora lett, 1953 és 1961 között ugyanitt a természetrajz professzora volt. C.T.R. Wilson-nal felfedezte az elektronokkal ütköző röntgensugarak hullámhossz-változását. Eredményüket elméletileg is értelmezték, 1927-ben Nobel-díjat kaptak. Ez az úgynevezett Compton-effektus. A fény részecskejellegét bizonyító jelenségek közül az egyik legismertebb a Compton-szórás.