Pasadenában a California Institute of Technology hallgatója volt, majd a Columbia Egyetemen tanult, itt doktorált 1946-ban. A Manhattan-terv munkatársaként a 2. világháború alatt az atombomba létrehozásán dolgozott. 1949-ben kezdte megfogalmazni a magszerkezetnek az atommagok héj-modelljén alapuló elméletét. Aage N. Bohr és Ben R. Mottelson dán fizikusok kísérletileg ellenőrizték és igazolták az elméletet. A három tudós együtt kapta meg 1975-ben a fizikai Nobel-díjat. Rainwater 1952-től volt a Columbia Egyetem fizikaprofesszora, majd 1982-től "Pupin-professzora". Eredményes kutatásokat folytatott a röntgensugárzással kapcsolatban is, részt vett az Atomenergia-bizottság és a haditengerészet kutatási programjaiban.