Cecilia Payne föddes och växte upp iEngland. Hon studerade viduniversitetet i Cambridge där hon fullföljde sina studier. Hon tog dock ingen examen, eftersom Cambridge inte tillät kvinnor att ta examen förrän 1948.
Payne insåg att hennes enda karriäralternativ i Storbritannien var att blilärare, så hon letade efterstipendier som skulle göra det möjligt för henne att flytta till USA. 1923 rekryterades hon tillHarvard College Observatory avHarlow Shapley och emigrerade till USA för att starta ett nytt liv. Vid observatoriet lärde hon bland annat känna de döva astronomernaAnnie Jump Cannon ochHenrietta Swan Leavitt.
Shapley övertalade Payne att skriva en doktorsavhandling, och 1925 blev honfilosofie doktor i astronomi. Hennes avhandling hetteStellar Atmospheres; A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars.[14][15] I avhandlingen drog Payne slutsatsen attväte var den vanligaste beståndsdelen isolen och i andrastjärnor, vilket skulle göra väte till det vanligaste grundämnet iuniversum. Men astronomenHenry Norris Russell övertalade Payne att stryka slutsatsen från avhandlingen, eftersom det skulle motsäga den tidensvetenskapliga konsensus.[16] Russell insåg några år senare att Payne hade haft rätt, efter att hans egna forskning kom till samma slutsats. Och även om Russel erkände Paynes tidigare bidrag i slutet av sin korta uppsats från 1929, ges äran för upptäckten i allmänhet till honom snarare än till henne.[16][17][18]
AstronomenOtto Struve beskrev 1962 Paynes arbete som "den mest lysande doktorsavhandling som någonsin skrivits inom astronomi".[19][20]
1931 blev hon amerikansk medborgare och 1933 träffade hon den ryskfödde kolleganSergei Gaposchkin i Tyskland vid en rundresa i Europa. De flyttade till USA, gifte sig 1934 och fick tre barn.
År 1956 fick Payne som första kvinna en professur vidHarvard.[13]
I sin doktorsavhandling föreslog hon att skillnaderna i styrka hosabsorptionslinjerna i stjärnspektrat beror på skillnader itemperatur, snarare än kemisk sammansättning.
Payne föreslog 1925 attväte var det mest förekommande grundämnet i stjärnor. Detta tillbakavisades först av den erkände astronomenHenry Norris Russell, men accepterades till slut 1929.
Den senare delen av sin karriär ägnade hon åt att försöka förståVintergatan. Tillsammans med sin man och ett forskarlag utförde hon 1,25 miljoner observationer av variabla stjärnor i Vintergatan, samt ytterligare 2 miljoner variabelobservationer iMagellanska molnen. Forskningen blev en pusselbit i kunskapen omstjärnornas livscykler.