A pesar de completar sus estudios no obtuvo su título porque la Universidad de Cambridge no otorgaba títulos a las mujeres.
Cecilia Helena Payne nació el 10 de mayo de 1900 en Wendover, Buckinghamshire, Inglaterra, el 10 de mayo de 1900, y tuvo dos hermanos. Sus padres eran Emma Leonora Helena y Edward John Payne. Edward era un abogado, historiador y músico londinense que había sido miembro de Oxford, mientras que Emma provenía de una familia prusiana y tenía dos tíos destacados: el historiador Georg Heinrich Pertz y el escritor suecoborgiano James John Garth Wilkinson. Lamentablemente, el padre de Cecilia falleció cuando ella tenía solo cuatro años, por lo que su madre tuvo que hacerse cargo de la crianza de la familia. A los doce años su madre decidió mudarse a Londres para asegurar una buena educación para su hermano y ella asistió al St Mary's College en Paddington. En 1919, consiguió una beca que cubría todos sus gastos en el Newnham College de la Universidad de Cambridge, donde inicialmente estudió botánica, física y química, pero después decidió dejar la botánica y enfocarse en las otras ciencias.
En su tesis doctoral Payne concluyó que el hidrógeno era el componente principal de las estrellas, convirtiéndolo en el elemento más abundante en el Universo.
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