Bill Gates sinh ra ở Seattle, Washington, bố là William H. Gates, Sr. và mẹ Maxwell Gates, là những người gốc Anh, Đức và Scotland-Ailen.[11][12] Ông sinh ra và lớn lên trong gia đình khá giả; bố ông là một luật sư có tiếng, mẹ ông thuộc ban giám đốc của công ty tài chính First Interstate BancSystem và United Way of America, và ông ngoại ông, J. W. Maxwell là chủ tịch của một ngân hàng liên bang. Gates có chị gái Kristi (Kristianne), và một em gái là Libby. Ông là đời thứ tư trong gia tộc, nhưng người ta biết đến ông như là William Gates III hay "Trey" (ba) do bố ông đã bỏ hậu tố "III" trong tên gọi.[13] Khi còn nhỏ, nghề nghiệp của bố mẹ Bill Gates đã làm cho ông có ước mơ trở thành luật sư.[14]

Khi Bill còn bé, gia đình ông thường tham dự vào một giáo đoàn của hội Tin lành.[15][16][17]

Năm 13 tuổi, ông vào học trường Lakeside, một trường dự bị cho các học sinh giỏi.[18] Khi ông học lớp 8, câu lạc bộ các bà mẹ (phụ huynh-Mothers Club) ở trường này đã dùng một khoản tiền nhờ việc bán các đồ dùng đã qua sử dụng để mua một máy đánh chữ cơ điện Model 33 ASR và một máy tính của hãng General Electric (GE) cho các học sinh của trường.[19] Gates thấy thích thú khi lập trình trên máy tính của GE bằng ngôn ngữ BASIC, và ông đã bỏ các lớp toán để theo đuổi sở thích của mình. Ông đã viết chương trình đầu tiên trên máy tính này đó là các thao tác của trò chơi tic-tac-toe cho phép người chơi thi đấu với máy tính. Chiếc máy đã thu hút Gates và tự đặt câu hỏi làm sao mà chiếc máy có thể luôn luôn thực thi các mã phần mềm một cách hoàn hảo như vậy. Khi ông nhớ lại thời điểm này, ông nói, "Chỉ cần một cái gì đó rõ ràng cho chiếc máy" ("There was just something neat about the machine").[20] Khi quỹ của hội phụ huynh đã hết, ông và các học sinh khác chuyển sang các hệ máy khác bao gồm máy tính mini PDP của hãng DEC. Hãng Computer Center Corporation (CCC) sáng chế ra PDP-10 đã cấm bốn học sinh trường Lakeside bao gồm Bill Gates, Paul Allen, Ric Weiland, và Kent Evans sử dụng hệ máy tính này trong mùa hè sau khi bốn người này đã khai thác các lỗi trong hệ điều hành để nhận được thêm thời gian sử dụng hệ máy tính này.[21]

Khi hết hạn cấm, bốn học sinh đề nghị với công ty CCC là họ sẽ tìm các lỗi trong phần mềm của CCC và đổi lại họ được sử dụng các máy tính của công ty này. Thay vì sử dụng các hệ thống thông qua điện báo, Gates đã đến văn phòng CCC và nghiên cứu mã nguồn cho các chương trình khác nhau chạy trên hệ thống, bao gồm cả chương trình trong FORTRAN, LISP, và ngôn ngữ máy. Việc thỏa thuận với CCC bị kết thúc vào năm 1970, khi công ty này bị phá sản. Một năm sau, Information Sciences, Inc. đã thuê bốn học sinh trường Lakeside để viết một chương trình trả lương bằng ngôn ngữ COBOL, cho phép họ có thời gian sử dụng máy tính và bản quyền phần mềm của công ty. Sau khi những người quản lý ở trường biết được khả năng lập trình của ông, Bill đã được giao nhiệm vụ viết một chương trình lập thời khóa biểu cho các lớp học. Ông đã sửa các mã sao cho chương trình sắp xếp ông vào các lớp có nhiều nữ sinh nhất. Sau này ông nhận xét "thật khó có thể tách tôi ra khỏi máy tính mà rõ ràng tôi có thể chứng minh sự thành công từ nó" ("it was hard to tear myself away from a machine at which I could so unambiguously demonstrate success").[20] Lúc 17 tuổi, Gates lập kế hoạch kinh doanh với Allen đó là Traf-O-Data nhằm đếm lưu lượng giao thông dựa trên bộ xử lý Intel 8008.

Gates tốt nghiệp trường Lakeside vào năm 1973. Ông đạt được 1590 trên 1600 điểm ở kỳ thi SAT[22] và ghi danh vào Đại học Harvard trong mùa thu năm 1973.[23] Khi học ở Harvard, ông đã quen Steve Ballmer, người sau này kế vị chức CEO của Microsoft.

Trong năm học thứ hai, Gates nghĩ ra thuật toán trong vấn đề sắp xếp bánh kếp, bài toán được xếp vào một trong những vấn đề chưa giải được[24] được nêu ra trong lớp toán tổ hợp của giáo sư Harry Lewis, một trong những người thầy của ông. Thuật toán của Gates đã giữ kỉ lục là thuật toán có thời gian giải nhanh nhất trên 30 năm;[24][25] và thuật toán sau này chỉ nhanh hơn nó khoảng một phần trăm.[24] Phương pháp của ông sau này được viết thành một bài báo chung với nhà khoa học máy tính ở Harvard là Christos Papadimitriou.[26]

Gates không có kế hoạch học tập cụ thể ở Harvard[27] và ông đã giành nhiều thời gian bên cạnh các máy tính ở trường. Ông vẫn liên lạc với Paul Allen, cùng tham gia vào Honeywell trong mùa hè năm 1974.[28] Vào năm sau, chứng kiến sự ra đời của máy MITS Altair 8800 trên nền vi xử lý Intel 8080, lúc này Gates và Allen nhận ra đây là cơ hội cho họ sáng lập ra một công ty về phần mềm máy tính.[29] Ông đã nói quyết định này với bố mẹ ông, họ đã ủng hộ ông sau khi thấy được ông sẽ cần bao nhiêu tiền để bắt đầu lập nghiệp với công ty.[27]