От родителей она переняла глубокий интерес к проблемам культуры; впоследствии, уже будучи профессиональным психологов, она опубликовала несколько работ по литературе и эстетике. В психологическом плане влияние родителей выразилось в крайней противоречивости ее натуры: любовь к человечеству могла сочетаться у нее с высокомерием по отношению к отдельному человеку; в общении она могла поразить и удивительной душевной теплотой, и отталкивающей холодностью.
В возрасте 17 лет у Шарлотты Малаховски возник интерес к психологии, во многом порожденный неудовлетворенными религиозными исканиями. Она была крещена в протестантской вере, что было весьма распространено среди обеспеченных немецких евреев, пытавшихся таким образом защититься от антисемитизма. Не находя в религиозных догматах ответов на волновавшие ее вопросы, она обратилась к трудам по метафизике и религиозной философии. В конце концов наибольший интерес вызвали у нее вопросы душевной жизни. После прочтения работ Г. Эббингауза, полагавшего, что мыслительные процессы подчиняются законам ассоциации, Шарлотта не склонна была согласиться с этим мнением и начала проводить собственные эксперименты.
Окончив частную школу, Шарлотта в 1913 г. поступила в Фрейбургский университет, где изучала медицину, философию и психологию. Следующей весной она переехала в Киль и стала учиться в местном университете. Здесь она влюбилась в студента-географа, с которым ей, однако, не суждено было соединиться: ее избранник ушел на войну и погиб. Высшее образование она завершила в Берлинском университете (1914–1915) под руководством одного из пионеров экспериментальной психологии Карла Штумпфа. Со свойственной ей независимостью Шарлотта отвергла предложение Штумпфа о поступлении в аспирантуру, которое в те времена было необычайной честью для женщины. Штумпф отдавал предпочтение исследованию эмоциональных процессов, Шарлотту более интересовали проблемы мышления. По рекомендации Штумпфа она поступила в одну из известнейших в Европе психологических лабораторий, работавшую в Мюнхенском университете. Возглавлял лабораторию ведущий специалист по психологии мышления Освальд Кюльпе.
В декабре 1915 г., через несколько месяцев после того, как Шарлотта переехала в Мюнхен, О. Кюльпе умер, и его место занял его ближайший помощник Карл Бюлер, возвратившийся с войны. Еще не будучи знакома с ним, Шарлотта узнала, что он проводил экспериментальные исследования мыслительных процессов, аналогичные тем, которые она ранее пыталась осуществить сама. Между коллегами возникло взаимное влечение, и в апреле 1916 г. они поженились. В 1917 г. у них родилась дочь Ингеборг, в 1919 г. – сын Рольф (их воспитанием занимались в основном гувернантки).
В 1918 г. Шарлотта Бюлер защитила диссертацию по психологии мышления и получила степень доктора философии. В том же году ею было опубликовано оригинальное исследование, посвященное детским фантазиям и сказкам.
В последующие годы Карл и Шарлотта Бюлер работали рука об руку, в частности – в Дрезденском технологическом институте, где Шарлотта стала первой женщиной, получившей звание приват-доцента. В 1923 г. она получила Рокфеллеровскую стипендию и отправилась на стажировку в США. Там она работала в Колумбийском университете под руководством Э. Торндайка. Освоение бихевиористских методов исследования еще более укрепило ее склонность к прямому наблюдению феноменов поведения. По возвращении из Америки она присоединилась к своему мужу, возглавившему к тому времени психологический факультет Венского университета. Совместно ими был основан психологический институт. В котором Шарлотта Бюлер возглавила отделение детской психологии.
Исследования, осуществленные ею в венский период ее научной деятельности, отличались яркой оригинальностью и глубиной. В истории науки принято говорить о созданной ею Венской школе возрастной психологии, объединившей многих исследователей (Х. Гетцер, К. Рейнингер, Б. Тудер-Гарт, Э. Келер и др.). Шарлотта Бюлер разрабатывала проблемы возрастной периодизации и развития детей в различные периоды, становления социального поведения и др. Ей принадлежит первая попытка создать периодизацию переходного возраста, причем она исходила из созревания половой функции как основного процесса, в свете которого следует рассматривать все остальные стороны развития. Согласно ее теории, половая функция представлена в сознании как «потребность в дополнении»; пробуждение этой потребности приходится именно на пубертатный период.