Bareilles đã được sinh ra và lớn lên tại Eureka, California, là con gái út trong gia đình có 3 chị em, mẹ là Bonnie Halvorsen (họ gốc là Capellas), một nhân viên làm việc tại nhà an táng, và cha là Paul Bareilles, một chuyên viên tính toán bảo hiểm.[5][6] Cô còn có một người chị kế tên là Melody.[7] Cô mang dòng máu của người Ý, Đức, Bồ Đào Nha và Pháp; cô cũng nói được tiếng Ý và đã từng sống tại đó trong khoảng 1 năm.[8] Cô đã được lớn lên trong môi trường công giáo[9] và tham gia vào đội hợp xướng của trường trung học, Limited Edition, và các tác phẩm của nhà hát công cộng tại địa phương, mà cô đã từng vào vai Audrey trong vở Little Shop of Horrors do chính trường trung học mà cô đã theo học sản xuất.[10]

Sau khi tốt nghiệp trung học vào năm 1998, Bareilles đã tham dự chương trình Nghiên cứu Truyền thông tại trường đại học California, Los Angeles,[1] nơi cô đã là một thành viên của 1 ban nhạc nữ theo dòng nhạc a cappella mang tên Awaken A Cappella,[11] và cô đã từng hát 2 bài hát mang tên "Gravity" và "I Want You Back" (của The Jackson 5) trong album Dysfunktional Family của nhóm.[12] Bài hát "Gravity" của Sara đã được bình chọn là bài hát hay nhất và đã được xuất hiện trong album Best of College A Cappella 2004 của nhóm. Sara cũng cho biết trên chương trình TRL của MTV rằng cô và ban nhạc Maroon 5 đã từng quen biết nhau từ khi còn ở California khi mà họ mới chỉ được biết tới với nghệ danh Kara's Flowers. Cô cũng đã trình diễn trong buổi biểu diễn sinh viên thường niên UCLA Spring Sing, và đã chiến thắng 2 lần.