Cao Viên Viên sinh ngày 15 tháng 8 âm lịch tại khu Vân Cương, quận Phong Đài, Bắc Kinh trong gia đình trí thức, có một anh trai. Ngày sinh âm lịch đúng vào dịp tết Trung Thu, vào ngày này mặt trăng tròn đầy đặn (nguyệt viên) mang ý nghĩa đoàn tụ, nên được đặt tên là Viên Viên.

Năm 1959, cha cô là ông Cao Tuấn Nhân (高俊仁), người gốc Đường Sơn, Hà Bắc lên Bắc Kinh theo học Đại học Thanh Hoa ngành điện tử còn mẹ cô học ngành vô tuyến điện. Sau đó tốt nghiệp, cha mẹ cô định cư tại thủ đô và đều công tác tại Viện Nghiên cứu hợp chất thứ 3 thuộc Cục Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh. Công việc của cha mẹ rất bận rộn nên phần lớn thời thơ ấu của cô xoay quanh khoảng không gian của Cục Vũ trụ Quốc gia Trung Quốc.[2] Sau khi nghỉ hưu, cha của Cao Viên Viên nhớ quê hương nên quay về sống tại Đường Sơn.

Cô học trường tiểu học và sơ trung Vân Cương, năm 1995 vào học trường trung học dạy nghề du lịch Hải Điến (海淀旅游职业高中). Một ngày năm 1996, khi cùng bạn học đến đường Vương Phủ Tỉnh mua sách, cô được Châu Khang Vũ, nhân viên công ty quảng cáo phát hiện. Sau đó cô tham gia đóng quảng cáo sản phẩm kem của Mỹ với thù lao đầu tiên 400$.