Elle était l'aînée des trois enfants d'Emma Leonora Helena Pertz, issue d'une famille érudite prussienne, et d'Edward John Payne, un avocat londonien, historien et musicien qui avait été boursier à Oxford. Lorsque Cecilia avait quatre ans, son père mourut, laissant sa mère élever seule la famille. Dès son plus jeune âge, elle manifesta un vif intérêt pour la science et l'astronomie : à cinq ans, voyant une météorite, elle se souvint avoir pensé qu'elle devait se dépêcher de faire de la recherche astronomique au cas où il n'y aurait plus rien à découvrir lorsqu'elle serait adulte. À dix ans, elle eut la chance d'observer à la fois la grande comète diurne de 1910 et la comète de Halley, des expériences qui renforcèrent sa passion pour les phénomènes célestes. Après une scolarité à la St Paul's Girls' School de Londres, où son professeur de musique Gustav Holst l'encouragea un temps à poursuivre une carrière musicale, elle obtint une bourse pour entrer au Newnham College de l'Université de Cambridge en 1919.

À Cambridge, Payne étudia d'abord la physique, la chimie et la botanique, mais sa vie bascula lorsqu'elle assista en décembre 1919 à une conférence du célèbre astronome Arthur Eddington. Eddington venait de présenter les résultats de son expédition sur l'île de Principe, où il avait observé une éclipse solaire pour tester la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Payne raconta plus tard que cette conférence avait provoqué "ne transformation complète de [sa] vision du monde" et qu'à son retour dans sa chambre, elle fut capable de retranscrire la conférence mot pour mot. Elle se tourna alors résolument vers l'astronomie, suivant tous les cours disponibles, et termina ses études à Cambridge en 1923. Cependant, en raison de la politique de l'université qui n'accordait pas de diplômes aux femmes à l'époque, elle ne put obtenir de grade, une injustice qui ne fut réparée que bien plus tard, en 1948. Réalisant que les perspectives de carrière pour une femme astronome en Grande-Bretagne se limitaient alors à l'enseignement, elle chercha des débouchés aux États-Unis.

En 1923, grâce à une bourse de la Pickering Fellowship destinée à encourager les femmes à étudier à l'observatoire du Harvard College, elle rejoignit cet établissement prestigieux à Cambridge, dans le Massachusetts. Elle fut la deuxième femme à bénéficier de cette bourse, après Adelaide Ames en 1922. Sous la direction de Harlow Shapley, le directeur de l'observatoire, elle entreprit des études supérieures. Comme Harvard n'accordait pas non plus de doctorats aux femmes à cette époque, elle s'inscrivit au Radcliffe College, l'institution féminine affiliée à Harvard. En 1925, elle devint la première personne à obtenir un doctorat en astronomie de Radcliffe, et donc de Harvard, avec une thèse intitulée Stellar Atmospheres: A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars (Atmosphères stellaires : une contribution à l'étude observationnelle des hautes températures dans les couches renversantes des étoiles).

Cette thèse est considérée comme l'une des plus brillantes jamais écrites en astronomie, une appréciation notamment formulée plus tard par l'astronome Otto Struve. Dans ce travail, Cecilia Payne appliqua la toute nouvelle théorie de l'ionisation développée par le physicien indien Meghnad Saha pour interpréter les spectres stellaires. Elle démontra que l'énorme variation des raies d'absorption observées dans les spectres des étoiles , sur laquelle se fondait la classification des étoiles, proposée par Annie Cannon, n'était pas due à des abondances différentes des éléments, mais aux différents degrés d'ionisation de ces éléments en fonction de la température stellaire. Surtout, elle établit que l'hydrogène et l'hélium sont de loin les éléments les plus abondants dans les étoiles, l'hydrogène étant environ un million de fois plus abondant que les métaux que l'on trouve sur Terre. Cela contredisait radicalement le consensus scientifique de l'époque, qui soutenait que la composition du Soleil et des étoiles était similaire à celle de la Terre, une idée défendue notamment par l'éminent astronome Henry Norris Russell, qui était membre de son comité de thèse. Russell qualifia les conclusions de Payne de "fallacieuses" et la dissuada d'affirmer pleinement sa découverte. Par conséquent, Payne ajouta une phrase dans sa thèse publiée indiquant que l'abondance énorme qu'elle dérivait pour l'hydrogène et l'hélium était "presque certainement irréelle". Quatre ans plus tard, en 1929, Russell parvint aux mêmes résultats par une méthode différente et reconnut alors que Payne avait eu raison, mentionnant brièvement son travail dans sa publication, mais c'est lui qui reçut une grande partie du crédit pour cette découverte fondamentale.

Après son doctorat, Payne resta à l'observatoire de Harvard pour l'ensemble de sa carrière, mais elle dut faire face à des décennies de discrimination institutionnelle. Bien qu'elle fût une chercheuse de premier plan et qu'elle enseignât des cours très populaires, son titre officiel resta longtemps celui d'assistante technique d'Harlow Shapley, et ses cours ne furent pas inscrits dans les catalogues officiels de Harvard avant 1945. Elle poursuivit néanmoins ses recherches avec une intensité remarquable. Elle publia notamment The Stars of High Luminosity (Les étoiles de haute luminosité) en 1930, marquant le début de son intérêt pour les étoiles variables. En 1933, lors d'un voyage en Europe, elle rencontra l'astrophysicien russe Sergei Illarionovich Gaposchkin en Allemagne. Elle l'aida à obtenir un visa pour les États-Unis, et ils se marièrent en mars 1934. Ensemble, ils formèrent une collaboration scientifique prolifique, consacrée principalement à l'étude des étoiles variables. 

Payne-Gaposchkin, comme elle s'appela désormais, entreprit avec son mari un vaste relevé des étoiles variables, analysant les plaques photographiques de l'observatoire. Elle réalisa plus de 1 250 000 observations avec ses assistantes, puis étendit ce travail aux Nuages de Magellan, ajoutant deux millions d'observations supplémentaires. Leurs travaux, publiés dans des ouvrages comme Variable Stars (Étoiles variables, 1938) et Variable Stars and Galactic Structure (Étoiles variables et structure galactique, 1954), posèrent les bases de toutes les études ultérieures sur ces objets et de leur utilisation comme indicateurs de la structure de notre galaxie.

Ce n'est qu'en 1956, après que Donald Menzel fut devenu directeur de l'observatoire, que Payne-Gaposchkin fut enfin nommée professeure titulaire à l'Université Harvard, devenant ainsi la première femme à obtenir ce rang à la Faculté des arts et des sciences. La même année, elle fut également nommée présidente du département d'astronomie, devenant la première femme à diriger un département à Harvard. Elle prit sa retraite en 1966, mais continua ses recherches et ses publications jusqu'à la fin de sa vie. Cecilia Payne-Gaposchkin s'éteignit d'un cancer le 7 décembre 1979 à Cambridge, dans le Massachusetts, à l'âge de 79 ans. 

Au cours de sa carrière, elle avait reçu de nombreuses distinctions, bien que certaines vinrent tardivement. En 1934, elle fut la première récipiendaire du prix Annie Jump Cannon de l'American Astronomical Society, un prix spécifiquement créé pour honorer les femmes astronomes. Elle fut élue membre de la Royal Astronomical Society dès 1923, alors qu'elle était encore étudiante à Cambridge, et reçut la médaille Rittenhouse du Franklin Institute en 1961. En 1976, elle reçut la prestigieuse médaille Henry Norris Russell de l'American Astronomical Society, l'une des plus hautes distinctions dans le domaine de l'astrophysique. Dans son discours d'acceptation de ce prix elle avait offert une magnifique réflexion sur la carrière scientifique, disant :

" La récompense du jeune scientifique est le frisson émotionnel d'être la première personne dans l'histoire du monde à voir ou à comprendre quelque chose. Rien ne peut se comparer à cette expérience… La récompense du vieux scientifique est le sentiment d'avoir vu une esquisse vague se transformer en un paysage magistral ".