Billie Eilish được sinh ra ở Los Angeles, California, Hoa Kỳ, vào ngày 18 tháng 12 năm 2001. Cô là con gái của nữ diễn viên kiêm nhà biên kịch Maggie Baird và nam diễn viên Patrick O'Connell,[5][6] cả hai đồng thời cũng là nhạc sĩ.[7][8] Anh trai cô là nhạc sĩ kiêm nhà sản xuất Finneas O'Connell từ ban nhạc The Slightlys. Eilish là người gốc Ireland và Scotland.[9] Cô được nuôi dưỡng trong khu phố công viên cao nguyên của Los Angeles.[10][11] Cô được giáo dục tại gia và mẹ của cô và anh trai Finneas O'Connell đã dạy cô về những điều cơ bản về âm nhạc.[12] Eilish và Finneas đã làm việc cùng nhau trong một số sản phẩm âm nhạc, trong khi Finneas đã viết và sản xuất các bài hát của riêng mình và biểu diễn cùng ban nhạc của chính anh.[8][13] Eilish cho biết Finneas và mẹ cô đã truyền cảm hứng cho cô tham gia vào âm nhạc.[14] Cha mẹ của họ khuyến khích họ thể hiện bản thân và khám phá bất cứ điều gì họ muốn, bao gồm các lớp học nghệ thuật và diễn xuất.[7][12] Eilish đã viết bài hát "thực sự" đầu tiên của mình vào năm 11 tuổi cho lớp sáng tác bài hát của mẹ. Bài hát nói về ngày tận thế zombie, lấy cảm hứng từ bộ phim truyền hình The Walking Dead từ đó cô lấy các dòng kịch bản và tiêu đề tập mà cô thêm vào bài hát như một phần của bài tập.[14][15] Eilish đã tham gia một số buổi thử vai diễn xuất, điều mà cô không thích. Tuy nhiên, cô đã tận hưởng nó khi tham gia vào các vai diễn phụ cho các cảnh đám đông và làm việc trong các bộ phim Diary of a Wimpy Kid, Ramona and Beezus, và X-Men.[12] Cô đã biểu diễn tại các chương trình tài năng và tham gia Los Angeles Children's Chorus năm cô 8 tuổi.[12][13]