レインウォーターはアイダホ州カウンシルで誕生しました。幼少期に父親をスペイン風邪で亡くし、家族でカリフォルニア州ハンフォードへ移住しました。彼はカリフォルニア工科大学で物理学の学士号を取得後、カリフォルニア大学へ進学しました。この間、第二次世界大戦中にはマンハッタン計画に参画し、原子爆弾の開発に携わりました。その後、コロンビア大学大学院に進み、1946年にPh.D.(博士号)を取得しました。1952年には同大学の教授に就任し、1982年にはPupin Professor of Physicsという名誉ある地位に就いています。