อาร์เทอร์ คอมป์ตัน เกิดเมื่อวันเสาร์ที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2435 เป็นบุตรคนที่ของเอเลียส คอมป์ตัน (Elias Compton) และโอเทลเลีย แคเทอรีน คอมป์ตัน (Otelia Catherine Compton) (สกุลเดิม ออกซเพอร์เกอร์ (Augspurger)) [1] โดยเอเลียสผู้เป็นบิดา ได้เคยเป็นผู้อำนวยการวิทยาลัยวูสเตอร์ ส่วนคาร์ล คอมป์ตัน (Karl Compton) พี่ชายของอาร์เทอร์ ได้ปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน เมื่อ พ.ศ. 2455 และเป็นอธิการบดีสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ ระหว่างปี พ.ศ. 2473 - 2491 พี่ชายคนรอง วิลสัน คอมป์ตัน (Wilson Compton) ได้รับปริญญาเอกสาขาเศรษฐศาสตร์จากมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน เมื่อ พ.ศ. 2456 และได้เป็นอธิการบดีมหาวิทยาลัยวอชิงตันสเตต ยิ่งไปกว่านั้น มารดาตระกูลคอมป์ตันเป็นแม่ดีเด่นประจำปี 2475 ของสหรัฐอเมริกาด้วย[2] ในส่วนน้องสาว แมรี คอมป์ตัน (Mary Compton) สมรสกับศาสนาจารย์ซี เฮอร์เบิร์ต ไรซ์ (C Herbert Rice) ครูใหญ่โรงเรียนคริสเตียนลาฮอร์[3]

ในชั้นแรก อาร์เทอร์สนใจวิชาดาราศาสตร์ โดยได้ถ่ายภาพดาวหางฮัลเลย์ครั้งที่โคจรผ่านโลกเมื่อ พ.ศ. 2455[4] ปีถัดมา อาร์เทอร์ก็เริ่มทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของการหมุนของโลกที่มีต่อน้ำที่บรรจุในหลอดทบเป็นวงกลม[5] ในที่สุดปีเดียวกันนั้นเองเขาก็จบการศึกษาได้รับปริญญาวิทยาศาสตรบัณฑิตจากวิทยาลัยวูสเตอร์ ต่อมาในปี พ.ศ. 2457 อาร์เทอร์ได้รับปริญญาศิลปศาสตรบัณฑิตจากมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน[6] ไม่เพียงเท่านั้น เขายังศึกษาต่อปริญญาเอกกับเฮเรเวิร์ด คูก ในหัวข้อ ความเข้มของการสะท้อนรังสีเอกซ์และการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม[7] จนได้รับปริญญาวิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิตใน พ.ศ. 2459 พี่น้องตระกูลคอมป์ตันถือได้ว่าเป็นพี่น้องกลุ่มแรกที่เข้ามหาวิทยาลัยพร้อมกัน และจบปริญญาเอกไล่เลี่ยกัน[8] หลังจบปริญญาเอกได้ทำงานเป็นอาจารย์สอนฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยมินนิโซตา แต่เป็นได้เพียงหนึ่งปี [9] จากนั้นจึงได้ย้ายไปทำงานเป็นวิศวกรวิจัยที่บริษัทเวสติงเฮาส์ที่เมืองพิตสเบิร์ก งานหลักของเขาในขณะนั้นคือการพัฒนาหลอดไฟไอโซเดียม (sodium-vapour lamp) ครั้นสงครามโลกครั้งที่หนึ่งมาถึง อาร์เทอร์ได้ช่วยพัฒนาระบบสื่อสารอากาศยานที่กองทหารสื่อสารสหรัฐอีกด้วย[3]

ในปี พ.ศ. 2462 อาร์เทอร์ได้รับทุนการศึกษาจากสภาวิจัยแห่งชาติสหรัฐให้เดินทางไปศึกษาที่ห้องปฏิบัติการคาเวนดิช มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ โดยทำงานวิจัยกับจอร์จ แพเจต ทอมสัน บุตรของโจเซฟ จอห์น ทอมสัน ในหัวข้อการกระเจิงและการดูดกลืนรังสีแกมมา[9][10] ในการศึกษาเขาสังเกตว่ารังสีที่กระเจิงสามารถดูดกลืนได้ง่ายกว่ารังสีจากแหล่งกำเนิด[6] ณ ที่นั้น เขาได้พบกับนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงหลายท่าน อาทิ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ชาลส์ แกลตัน ดาร์วิน และอาร์เทอร์ เอดดิงตัน ซึ่งสองชื่อได้กลายเป็นชื่อบุตรของอาร์เทอร์เองในเวลาต่อมา[10]

ทางด้านชีวิตครอบครัว อาร์เทอร์สมรสกับเบตตี แชริตี แมคคลอสกีย์ (Betty Charity McCloskey) ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมชั้นในคราวที่เรียนปริญญาตรี มีบุตรด้วยกันสองคน คือ อาร์เทอร์ อลัน คอมป์ตัน และจอห์น โจเซฟ คอมป์ตัน[11]