Egy massachusettsi farmon született 1873. október 23-án. Családja nem engedhette meg magának, hogy felsőfokú tanulmányainak költségét fedezzék, de állami ösztöndíjjal sikerült bekerülnie a híres Massachusetts Institute of Technologyra (MIT), ahol 1896-ban villamosmérnökként diplomázott. A gyakorlat helyett az elmélet, a kutatás vonzotta, így az egyetemen maradt asszisztensként, majd 1899-ben Lipcsében fizikából doktorált, németországi tartózkodása alatt rövid időre találkozott Wilhelm Conrad Röntgennel, a róla elnevezett sugárzás felfedezőjével is.
A vállalat ekkoriban dobta piacra izzólámpáit, amelyek már háromszor hatékonyabbak voltak, mint Thomas Alva Edison szénszálas találmánya, de még mindig csak olyan izzót tudtak gyártani, melynek izzószála hamar tönkrement, ráadásul nagyon drága is volt, mert platina- vagy ozmiumszálat használtak. Elméletileg a volfrám volt erre a célra a leginkább alkalmas, mivel ez a legmagasabb olvadáspontú (3422 C-fok), nehezen párolgó és tartós fém, de mivel törékeny is, felhasználása nagyipari méretekben nehézségekbe ütközött. A volfrám izzószál előállítását 1904-ben Just Sándor és Hanaman Ferenc szabadalmaztatta, a magyar Egyesült Izzólámpa és Villamossági Rt. (a későbbi Tungsram) ennek alapján kezdte gyártani az első volfrámszálas izzókat, de a volfrám törékenységével kapcsolatos gondokat nem sikerült megoldaniuk.
A volfrámszálas izzó 1911-ben jelent meg a piacon, és hamar kiszorította az egyéb anyagból készült izzószálakat, az egyre tökéletesített izzólámpákban a mai napig volfrámszálat alkalmaznak. Coolidge 1913-ban szabadalmat kért és kapott eljárására, de 1928-ban egy amerikai bíróság úgy döntött, hogy az nem számít újításnak.
Coolidge azt is vizsgálni kezdte, milyen más célokra lehetne a volfrámszálat felhasználni, hol helyettesíthetné a drága és rosszabb tulajdonságokkal rendelkező platinát. Érdeklődése a röntgensugárzás előállítására szolgáló cső felé fordult. Ennek akkor használatos formájában a légritkított elektroncsőben a katód és az anód közé kapcsolt feszültség hatására jött létre a röntgensugárzás, de az anódként használt platina kicsapódott a cső falára és rontotta annak hatásfokát, ráadásul a cső teljesen váratlanul mondta fel a szolgálatot. Coolidge a platinából készült anódot és katódot légmentesen lezárt üvegcsőben, vákuumban helyezte el, és a katódot fűtötte az elektronok áramlásának megindításához. Az egyszerű szerkezetű, megbízható Coolidge-cső, amelyben szabályozni lehetett a keletkező röntgensugárzás energiáját és intenzitását, áttörést jelentett a radiológiában. A feltaláló idővel nagyobb teljesítményű, forgó anódos csöveket is kifejlesztett, amelyek a röntgenkép készítése mellett már terápiára, besugárzásra is alkalmasak voltak. Coolidge eredményeit először 1913-ban publikálta, és 1916-ban kapta meg a szabadalmat a fűtött katódos megoldásra.
Találmányai széles skálát öleltek fel, dolgozott mágnesezett acélon és olyan kényelmi eszközön is, mint az elektromos takaró.
Coolidge 1908-ban a General Electric kutatólaboratóriumának igazgatóhelyettese, 1928-ban társigazgatója, 1932-ben igazgatója, 1940-ben a General Electric alelnöke és kutatási igazgatója lett, s 1944-es nyugdíjba vonulása után is tanácsadó és igazgató emeritus maradt. Tucatnyi tudományos testületnek volt tagja, több egyetemtől kapott díszdoktori címet, és számos kitüntetést vehetett át. Százéves korában bekerült az 1973-ban alapított Nemzeti Feltaláló Hírességek Csarnokába, ő az egyetlen személy, aki megélte ezt a megtiszteltetést.
A szellemileg élete végén is friss Coolidge 1975. február 3-án, 101 éves korában hunyt el a New York állambeli Schenectadyben.