Lưu Lệ Hằng sinh năm 1963 ở miền nam Việt Nam, lớn lên tại Sài Gòn. Cha bà là một thông dịch viên làm việc cho quân đội Hoa Kỳ. Ông đã dạy bà học tiếng Pháp khi còn nhỏ và nó trở thành nền tảng cho việc học tiếng Anh của bà sau này.[2]

Trong sự kiện 30 tháng 4 năm 1975, Lưu cùng gia đình di tản ra khỏi Việt Nam và tị nạn vào Hoa Kỳ. Sau khi ở trại tị nạn khoảng một tháng rưỡi, bà cùng gia đình đã đến tiểu bang Kentucky do họ có một vài người họ hàng ở đó. Trong chuyến thăm Jet Propulsion Laboratory đã thúc đẩy bà quyết định chọn ngành thiên văn học cho nghề nghiệp của mình.[4] bà thi đậu vào Viện Đại học Stanford và tốt nghiệp cử nhân vật lý năm 1984.[5]