Lea được sinh ra ở Bronx, thành phố New York. Cô là con một của Edith, y tá, và Marc Sarfati, chủ nhà hàng.[2] Mẹ cô là người Mỹ gốc Ý và theo công giáo La Mã, còn bố cô lại là dân Do Thái người Tây Ban Nha.[3][4] Lea theo đạo Thiên chúa, cô đã từng nói rằng bố cô đi nhà thờ với hai mẹ con "một cách vui vẻ".[5][6] Cô lớn lên ở Tenafly, New Jersey. Cô học cấp một tại Rockland Country Day School[7] ở New York và trung học tại Tenafly High School.[5][8] Lea học tại nhà một năm khi đang biểu diễn ở Toronto, Orianto cho vở Ragtime. Cô theo học tại Stagedoor Manor ở Catskills, một trung tâm đào tạo biểu diễn nghệ thuật.[9] Sau đó cô được nhận vào Tisch School of the Arts tại trường đại học New York, nhưng thay vào đó cô đã tiếp tục biểu diễn chuyên nghiệp trên sân khấu nhạc kịch.[10][11]

Lea lấy nghệ danh Lea Michele khi còn nhỏ tuổi trong buổi thử vai đầu tiên. Cô nói rằng sự thay đổi đó là vì cô từng bị trêu chọc do cách phát âm tên họ của mình.[12]