Née à Montréal sous le nom de Cairine Reay Mackay, elle est la fille de Jane Mackay et Robert Mackay, un sénateur libéral et un ami personnel de Sir Wilfrid Laurier.
En 1909, elle épouse Norman Frank Wilson, le député libéral de Russell et ils déménagèrent à Rockwell pour fonder une famille. En 1918, les Wilson déménagent à Ottawa, où Cairine Wilson réalisa beaucoup de bénévolat. Elle aida à fonder l'Association libérale du XXe siècle et la Fédération nationale des femmes libérales du Canada, de laquelle elle fut présidente de 1938 à 1948.
Elle est nommée première sénatrice dans l'histoire du pays à l'âge de quarante-cinq ans, à la date du , par le gouvernement de Mackenzie King, seulement quatre mois après que l'Affaire personne fut livrée par le comité judiciaire du Conseil privé. Auparavant, les femmes n'avaient pas le droit de siéger au Sénat car les tribunaux inférieurs avaient établi qu'elle n'étaient pas des « personnes » entières selon la loi.
Cairine Wilson est connue pour son combat afin d'admettre davantage de réfugiés juifs allemands pendant la Seconde Guerre mondiale. Mackenzie King hésitait à admettre autant de Juifs dans le pays, et son ministre de l'Immigration ne désirait pas lui non plus admettre des immigrants juifs.
En raison de ces dissensions, elle ne réussit à obtenir qu'un quota de 100 Juifs, dont seulement deux ont réussi à arriver au Canada. Elle reçut alors le surnom de « Reine des causes désespérées ». Le Canada est le pays qui accepta le plus faible nombre de Juifs de tous les pays du Commonwealth, lesquels fuyaient la dictature du Troisième Reich.
Présidente du comité national canadien pour les réfugiés et première femme à présider un comité permanent au Sénat (Immigration et travail), elle reçoit la croix du chevalier de la Légion d'honneurfrançaise en 1950 pour son travail en faveur des enfants réfugiés.
Cairine Wilson fit également l'histoire parlementaire en 1955, lorsqu'elle devint la première vice-présidente de la Chambre. Son mari Norman, qui était longtemps d'une santé chancelante, mourut le .
Cairine Wilson est morte d'une crise cardiaque à Ottawa le samedi à l'âge de 77 ans.
