Harold Clayton Urey sinh ngày 29 tháng 4 năm 1893 tại Walkerton, Indiana, là con trai của Samuel Clayton Urey, giáo viên trường học và một bộ trưởng Giáo hội Các Anh em và vợ ông là Cora Rebecca née Reinoehl. Urey có một người em trai, Clarence, và một em gái, Martha. Gia đình ông chuyển tới Glendora, California, nhưng quay lại Indiana để sống với mẹ góa của Cora khi Samuel bị ốm nặng vì bệnh lao. Ông qua đời khi Urey sáu tuổi.

Urey được giáo dục tại một trường lớp Amish, tốt nghiệp từ năm 14 tuổi. Sau đó ông theo học tại trường trung học ở Kendallville, bang Indiana. Sau khi tốt nghiệp năm 1911, ông đã nhận được giấy chứng nhận của giáo viên từ Earlham College, và dạy tại một ngôi trường nhỏ ở Indiana. Sau đó, ông chuyển đến Montana, nơi mẹ ông đã được sống, và ông tiếp tục giảng dạy ở đó. Urey vào Đại học Montana ở Missoula vào mùa thu năm 1914, nơi ông lấy bằng Cử nhân Khoa học (BS) về động vật học vào năm 1917.Sau khi Hoa Kỳ gia nhập cuộc chiến tranh thế giới thứ nhất năm đó, Urey đã làm một công việc thời chiến với Công ty Hóa chất Barrett ở Philadelphia, làm cho TNT. Sau khi chiến tranh kết thúc, ông trở lại trường Đại học Montana với tư cách là một giảng viên về Hóa học.

Một sự nghiệp học thuật đòi hỏi một vị tiến sĩ, do đó vào năm 1921 Urey tham gia một chương trình tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley, nơi ông nghiên cứu nhiệt động lực học dưới Gilbert N. Lewis. Nỗ lực ban đầu của ông trong luận án là về sự ion hóa của hơi cesium. Ông đã gặp khó khăn, và một nhà vật lý Ấn Độ đã xuất bản một bài báo tốt hơn về cùng một chủ đề. Urey sau đó đã viết luận án của ông về các trạng thái ion hóa của một khí lý tưởng, sau đó được xuất bản trong Tạp chí Vật lý thiên văn. Sau khi nhận được bằng tiến sĩ năm 1923, Urey đã được Tổ chức American-Scandinavian trao học bổng tại Học viện Niels Bohr ở Copenhagen, nơi ông gặp Werner Heisenberg, Hans Kramers, Wolfgang Pauli, Georg von Hevesy và John Slater. Khi kết thúc chuyến lưu diễn, ông đã đi đến Đức, nơi ông gặp Albert Einstein và James Franck.

Khi trở lại Hoa Kỳ, Urey nhận được đề nghị của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia về Đại học Harvard và cũng nhận được đề nghị là nghiên cứu viên của Đại học Johns Hopkins. Ông đã chọn cái trường Đại học Johns Hopkins. Trước khi bắt đầu công việc, ông đã tới Seattle, Washington để thăm mẹ. Trên đường đi, ông dừng lại ở Everett, Washington, nơi ông ta biết một phụ nữ tên là Kate Daum. Kate giới thiệu Urey với chị gái, Frieda. Urey và Frieda sớm đính hôn. Họ đã kết hôn tại nhà của cha cô ở Lawrence, Kansas vào năm 1926. Hai vợ chồng có bốn người con: Gertrude Bessie (Elisabeth), sinh năm 1927; Frieda Rebecca, sinh năm 1929; Mary Alice, sinh năm 1934; và John Clayton Urey, sinh năm 1939.

Tại Johns Hopkins, Urey và Arthur Ruark đã viết Atoms, Quanta và Molecules (1930), một trong những văn bản tiếng Anh đầu tiên về cơ học lượng tử và các ứng dụng của nó đối với các hệ thống nguyên tử và phân tử. Năm 1929, Urey trở thành phó giáo sư Hóa học tại Đại học Columbia, nơi các đồng nghiệp của ông bao gồm Rudolph Schoenheimer, David Rittenberg, và T. I. Taylor.