Nascido no estado de Illinois, viu seus pais se divorciarem quando tinha dez anos; com o segundo casamento de sua mãe com Chester Heston, a família se mudou para um subúrbio de Chicago e ele adotou o nome do padrasto. Na escola secundária, Charlton se envolveu com a cadeira de artes dramáticas e teve um resultado tão bom que recebeu uma bolsa em drama para cursar a universidade.

Em 1944 deixou os estudos e se alistou na força aérea do exército, onde serviu como operador de rádio de bombardeiros B-25 nas Ilhas Aleutas durante a Segunda Guerra Mundial. Atingiu a patente de sargento, e se casou com uma colega de faculdade.