Kepler sinh ngày 27 tháng 12 năm 1571 tại thành phố tự trị Weil der Stadt thuộc Đế quốc La Mã Thần thánh (nay là một phần thuộc vùng Stuttgart ở bang Baden-Württemberg của nước Đức, cách trung tâm Stuttgart 30 km về phía tây). Ông nội ông từng là Thị trưởng thành phố, nhưng lúc Johannes ra đời, gia đình đang rơi vào cảnh khánh kiệt. Kepler là con cả trong số 7 người con của mẹ ông, nhưng ba trong số đó chết yểu. Người cha kiếm sống bấp bênh với nghề lính đánh thuê, rời bỏ gia đình khi Johannes mới năm tuổi và về sau được cho là đã chết trong Chiến tranh tám mươi năm ở Hà Lan. Mẹ ông, con gái một chủ quán trọ, là một thầy thuốc chữa bệnh bằng thảo dược và về sau bị kết án là phù thuỷ. Do đẻ non, Johannes từ bé đã yếu ớt và hay ốm đau nhưng bù lại cậu thông minh hơn người và người ta kể lại rằng khi còn nhỏ, cậu thường làm những khách trọ ở nhà ông ngoại ngạc nhiên vì khả năng toán học kỳ lạ của mình.[8]

Kepler làm quen với Thiên văn học từ rất sớm và gắn bó với nó trong cả cuộc đời. Năm 1577, khi mới lên sáu, cậu đã quan sát một siêu sao chổi, và sau này kể lại rằng cậu đã "được mẹ đưa lên một chỗ cao để nhìn nó".[9] Năm 1580, Kepler quan sát một hiện tượng thiên văn khác - nguyệt thực, cậu nhớ là đã "được gọi ra ngoài" để nhìn nó và rằng Mặt Trăng "có vẻ khá đỏ".[9] Tuy nhiên bệnh đậu mùa thời trẻ đã giảm thị lực và liệt tay của Kepler, khiến cậu bé phải chú tâm tới toán học nhiều hơn là quan sát các khía cạnh thiên văn học.[10]

Năm 1589, sau khi học qua trường văn phạm, trường tiếng Latinh, và chủng viện ở Maulbronn theo hệ thống giáo dục Lutheran, Kepler bắt đầu theo học tại Đại học Tübingen. Tại đây ông học triết học từ Vitus Müller[11] và thần học từ Jacob Heerbrand (một học trò của Philipp Melanchthon ở Wüttenberg người sau trở thành hiệu trưởng của trường.[12]. Kepler sớm chứng tỏ là một nhà toán học xuất chúng và nổi tiếng có tài chiêm tinh. Dưới sự hướng dẫn của giáo sư toán học Michael Maestlin[12], ông nghiên cứu cả hệ thống Ptolemy và hệ thống Copernicus về chuyển động hành tinh và trở thành một người ủng hộ Copernicus từ lúc đó. Trong một buổi tranh luận của sinh viên, Kepler đã lên tiếng bảo vệ thuyết nhật tâm cả từ quan điểm lý thuyết lẫn thần học, khẳng định rằng Mặt Trời là nguồn năng lượng chính cung cấp hoạt năng trong vũ trụ.[13]. Dù muốn trở thành một mục sư, gần cuối thời gian học, Kepler được tiến cử vào vị trí giáo viên toán và thiên văn học tại trường Tin Lành ở Graz, Áo. Ông nhận vị trí đó vào tháng 4, 1594, lúc 23 tuổi.[14]