Cecilia Helena Payne nació el 10 de mayo en 1900 en la ciudad inglesa de Wendover. Era una de los tres hijos de Edward John Payne, abogado, músico e historiador, y su esposa de origen prusiano, Emma Leonora Pertz, quien quedó viuda cuando Cecilia era aún una niña de cuatro años.
Cecilia estudió en el Saint Paul’s Girls School y con diecinueve años consiguió una beca para poder estudiar en el Newnham College, perteneciente a la Universidad de Cambridge. A pesar de terminar su formación en botánica, física y química, su condición de mujer le impidió recibir el título oficial de graduada.
Por aquellos años, en una conferencia del astrofísico Arthur Eddington, Cecilia descubrió el apasionante mundo de la astronomía, en el que trabajaría el resto de su vida. Terminados sus estudios, Cecilia se dio cuenta que en Inglaterra sólo podía aspirar a ser profesora en algún colegio femenino, por lo que en 1923 puso rumbo a los Estados Unidos donde entró en contacto con un universo que hacía tiempo acogía a las mujeres científicas.
Hacía décadas que el Observatorio de la Universidad de Harvard contaba entre sus filas a mujeres de gran valía que dedicaron su vida al estudio de las estrellas. Nombres como Annie Jump Cannon, Williamina Fleming, Antonia Maury o Henrietta Leavitt habían dando un gran prestigio a la institución a finales del siglo XIX y principios del XX.
El Observatorio acababa de iniciar unos estudios de postgrado sobre astronomía a los que otra mujer, Adelaide Ames, ya se había incorporado en 1922. Cecilia lo hizo al año siguiente. En 1925, firmaba su tesis doctoral “Atmósferas estelares, una contribución al estudio de observación de las altas temperaturas en las capas inversoras de las estrellas”, considerada por algunos científicos del momento como la tesis doctoral más brillante sobre astronomía. El estudio de Cecilia concluyó que las estrellas estaban formadas en un amplio porcentaje por hidrógeno, por lo que este se consideraba el elemento más abundante de todo el universo.
Cecilia continuó trabajando en Harvard estudiando las estrellas y en 1931 recibía la nacionalidad norteamericana. Dos años después, en un viaje por Europa donde entró en contacto con distintos científicos, conoció al que se convertiría en su marido, el astrofísico ruso Sergei I. Gaposchkin. Después de conseguir un visado para poder viajar a los Estados Unidos, contrajeron matrimonio en 1934 y tuvieron tres hijos. Cecilia no siguió la tradición norteamericana de asumir el apellido del marido eliminando el propio y desde entonces pasaría a llamarse Cecilia Payne-Gaposchkin.
Trabajadora incansable, como científica y maestra en la universidad, Cecilia consiguió en 1938 que se la reconociera oficialmente en Harvard con el título de astrónoma. Hasta ese momento, todas las mujeres que habían estudiado en el observatorio recibían menos salario que los hombres y no estaban consideradas como científicas de manera oficial. En 1956 alcanzaba un nuevo logro dentro de Harvard al ser nombrada profesora titular en la Facultad de Artes y Ciencias. Poco después alcanzaba la Cátedra del Departamento de Astronomía y se convertía en la primera mujer en dirigir un departamento dentro de la prestigiosa universidad americana.
En 1966 se retiraba oficialmente de la enseñanza pero aún tuvo energía para continuar observando el universo como investigadora del Observatorio Astrofísico Smithsonian. Al final de sus días escribió su autobiografía. Fallecía el 7 de diciembre de 1979.