Gayet sinh tại Suresnes, tỉnh Hauts-de-Seine. Cha của bà là Brice Gayet, ông là một giáo sư về phẫu thuật dạ dày tại Viện tương tế Montsouris (Institut Mutualiste Montsouris). Mẹ của bà là một thương nhân cổ vật.[5] Ông nội của bà là Alain Gayet, cũng là một nhà phẫu thuật và được nhận một huân chương Giải phóng sau Chiến tranh thế giới thứ hai.[6] Bà được giáo dục trong môi trường xã hội tự do chủ nghĩa- trí thức.[7][8]

Gayet theo học mỹ thuật sử và Tâm lý học tại trường đại học, kỹ năng xiếc tại trường xiếc của gia đình Fratellini, và hát opera dưới sự hướng dẫn của Tosca Marmor. Vào năm 17 tuổi, bà theo học tại Xưởng phim Diễn viên tại Luân Đôn cùng với Jack Waltzer, và sau đó tiếp tục học tại trường Tania Balachova tại Paris.[9]