Lưu Thi Thi sinh ra tại khu Tuyên Vũ (nay là quận Tây Thành), Bắc Kinh trong gia đình có truyền thống ca kịch. Ông nội là Lưu Điền Lợi (刘田利) người gốc ở Vô Lệ, Sơn Đông được biết đến với tên gọi "Cổ Gia Thái Đẩu", là nghệ sĩ trình diễn nghê thuật hí kịch Tây Hà Cổ Lâu nổi tiếng.[1][2][3] Bà nội của Lưu Thi Thi là Vương Tú Vinh (王秀荣), con gái của thầy dạy ông Lưu Điền Lợi. Cha của Thi Thi là Lưu Giang (刘江) con thứ 2 trong gia đình.[4] Cả cha và mẹ Lưu Thi Thi đều làm công nhân nhà máy, sau này mẹ cô về hưu sớm vì lý do sức khỏe và cha cô theo con đường kinh doanh.[5]

Mẹ cô yêu thích múa ba lê nên đã cho con gái theo học múa nghiệp dư tại Vũ đoàn Balê Trung Quốc (中央芭蕾舞团) và được nhận vào trường Nghệ thuật Bắc Kinh khi cô mới học lớp 4, nay là Cao đẳng Kịch nghệ Bắc Kinh (Beijing Opera and Arts College).[5] Năm 2002, sau 5 năm theo học cao đẳng múa, cô thi đỗ vào khoa múa ballet của Học viện Múa Bắc Kinh khi 15 tuổi. Nhưng do điều kiện sức khỏe hạn chế, cô dần từ bỏ ước mơ ban đầu là trở thành vũ công ballet và dự định sẽ trở thành giáo viên dạy ballet sau khi tốt nghiệp.[6]