Charles Mayo werd op 19 juli 1865 in Rochester, Minnesota geboren als zoon van William Worrall Mayo, een uit Engeland afkomstige huisarts die zich in 1855 op het grondgebied van Minnesota had gevestigd.
De jongen vergezelde zijn vader en oudere broer, William J. Mayo, op ontelbare reizen in zowel het dorp als op het platteland als de vader naar zijn patiënten reisde. Bij verschillende gelegenheden diende hij de patiënten ether toe voordat hij zijn diploma in de geneeskunde had behaald.
Charles Mayo studeerde aan de openbare scholen van Rochester, en behaalde in 1888 de graad van Doctor in de Geneeskunde aan de Northwestern University. Toen Mayo ongeveer een jaar thuis was en zijn vader en oudere broer assisteerde bij hun praktijk van algemene geneeskunde, stichtten de zusters van St. Francis het St. Mary’s Hospital in Rochester. Charles was een van de drie medewerkers van het nieuwe ziekenhuis, naast zijn vader en oudere broer. Later herinnerde de oudere broer zich: “Charlie liet mij al gauw dekken door een betere chirurg te zijn, en ik begon me te specialiseren in abdominaal werk en in operaties aan de urineleiders en nieren.” Hij kon zich een moeilijke situatie met uitzonderlijke snelheid eigen maken, en hij had een vaardigheid in een verscheidenheid van uitdagende chirurgische problemen, waardoor hij al snel zulke verschillende ingrepen moest doen als het wegsnijden van een kniegewricht, het doorsnijden van het ganglion gasserianus, en hysterectomie. Hij verwierf ook een hoge graad van bekwaamheid in operaties aan het oog, hoofd en hals, terwijl zijn broer zich concentreerde op abdominale operaties.
Hij wijdde zich aan de zeer uitgebreide praktijk die hij en zijn broer samen uitoefenden, nadat hun vader zich rond 1890 uit de actieve praktijk terugtrok. De twee broers riepen de hulp in van een derde arts in 1892, nog een in 1901, en vele anderen toen de praktijk die door hun vader in 1863 was opgericht, bekendheid kreeg in het zuiden van Minnesota, en vervolgens in de hele staat.
Tegen 1903 was de naam Mayo Clinic niet alleen bekend bij mensen die een beroep deden op de diensten van de broers en hun compagnons, maar ook bij andere artsen buiten de kleine groep artsen in Rochester. In 1915 richtten Charles en zijn broer de Mayo Foundation for Medical Education and Research op, als onderdeel van de Graduate School van de Universiteit van Minnesota, met fellowships in verschillende specialismen. De Mayo’s werden beroemde leraren en werden door de honderden jonge chirurgen die met hen werkten met diepe genegenheid en respect beschouwd.
Dit klassieke artikel geeft een fascinerend perspectief op de stand van zaken in de dikke darm- en rectumchirurgie rond de eeuwwisseling. Mayo suggereert daarin de wenselijkheid van de synchrone gecombineerde benadering “als de chirurg een goede assistent heeft”. Hij wordt verondersteld de eerste te zijn geweest die deze manoeuvre heeft aanbevolen.
Eerbetonen van allerlei aard werden Charles Mayo toegekend, net als aan zijn oudere broer. Hij werd gekozen tot president van de Western Surgical Association, de Society of Clinical Surgery, het Clinical Congress of Surgeons of North America, de American Medical Association, het American College of Surgeons, en de American Surgical Association.
Hij overleed in Chicago, waar hij tijdens een bezoek penumonia had opgelopen, op 26 mei 1939, op 73-jarige leeftijd. De dood van zijn broer volgde twee maanden later.