Shoemaker sinh ra ở Los Angeles, California, con trai của Muriel May (tên khi bé Scott), một giáo viên, và George Estel Shoemaker, người làm việc trong nông nghiệp, kinh doanh, giảng dạy và phim ảnh. Cha mẹ anh là người bản địa của Nebraska. Trong thời thơ ấu của Gene, họ chuyển đến giữa Los Angeles, thành phố New York, Buffalo, New York và bang Utah, khi George làm nhiều công việc khác nhau. George ghét sống ở các thành phố lớn, và khá hài lòng khi nhận công việc giám đốc giáo dục cho một trại bảo tồn dân sự (CCC) ở bang Utah. Vợ anh sớm thấy cuộc sống trong một cabin xa xôi không thỏa mãn. Họ đã thỏa hiệp, khi Muriel có một công việc giảng dạy ở Buffalo. Cô có thể giảng dạy tại Trường Thực hành Buffalo của Trường Cao đẳng Sư phạm Bang tại Buffalo trong suốt năm học trong khi Gene ở bên mình, sau đó cả hai sẽ quay trở lại bang Utah trong thời gian mùa hè Niềm đam mê nghiên cứu đá của Gene đã bị đốt cháy bởi các khóa học giáo dục khoa học do Bảo tàng Giáo dục Buffalo cung cấp. Ông đăng ký vào trường Thực hành năm lớp bốn, và bắt đầu thu thập các mẫu khoáng sản. Trong vòng một năm, anh cũng tham gia các khóa học buổi tối cấp trung học. Gia đình chuyển về Los Angeles vào năm 1942, nơi Gene đăng ký vào trường trung học Fairfax ở tuổi mười ba. Anh học xong cấp ba sau ba năm. Trong thời gian đó ông cũng đã chơi vĩ cầm trong dàn nhạc trường, xuất sắc trong thể dục dụng cụ, và có một công việc mùa hè như một mài kim cương người học việc.

Gene ghi danh vào Caltech năm 1944, ở tuổi mười sáu. Các bạn cùng lớp của anh đã lớn hơn, trưởng thành hơn và đang trên đường nhanh chóng tốt nghiệp trước khi phục vụ trong Thế chiến II. Gene phát triển mạnh với tốc độ nhanh và lấy được bằng cử nhân năm 1948, ở tuổi 19. Anh ta ngay lập tức thực hiện nghiên cứu về đá biến chất Precambrian ở phía bắc New Mexico, kiếm được M. Sc. bằng cấp từ Caltech năm 1949.