Semenza học tại trường Trung học Cơ sở Washington Irving tại Tarrytown, New York. Năm cấp 3, ông học tại trường Trung học Phổ thông Sleepy Hollow và là trung vệ cho đội bóng đá của trường. Semenza tốt nghiệp cấp trung học vào năm 1974 và ghi danh vào Đại học Harvard. Tại ngồi trường này, ông theo học ngành di truyền y học và lập bản đồ gen của nhiễm sắc thể số 21. Tại Đại học Pennsylvania, ông đã xác định trình tự các gen liên quan đến bệnh tan máu bẩm sinh beta - một loại bệnh do rối loạn di truyền trên gen lặn - để viết luận án cho chương trình Tiến sỹ.[4] Semenza sau đó đã hoàn tất khóa thực tập nội trú chuyên ngành Nhi khoa tại Bệnh viện Đại học Duke[5]. Ông hoàn thành chương trình đào tạo sau Tiến sĩ tại Đại học John Hopkins và sau đó trở thành giám đốc sáng lập của chương trình nghiên cứu mạch máu tại Viện Kỹ thuật tế bào cũng tại ngôi trường này.