Il est le fils de Charles Townsend et de Priscilla née Kirk. Il se marie avec Charlotte Holmes, union dont il aura un enfant. Il participe en 1835 à une expédition dans l’Oregon puis à Hawaii. Il est chirurgien dans le fort de Vancouver de 1835 à 1836 où il commence à constituer une riche collection de mammifères et d’oiseaux.
Townsend participe à Ornithology of the United States of North America (1840). Sa collection sert de modèle pour le dernier volume de Birds of America (1844) de John James Audubon (1785-1851). Ses mammifères sont utilisés par Audubon et John Bachman (1790-1874) dans Viviparous Quadrupeds of North America.