Khi mới sinh ra, Song Hye-kyo từng bị bệnh nặng đến mức cha mẹ và các bác sĩ nghĩ rằng cô không thể qua khỏi. Vì sự hồi phục kỳ diệu đó, cha mẹ đã đăng ký giấy khai sinh cho cô là 26 tháng 2 năm 1982 (thay vì ngày sinh thật là 22 tháng 11 năm 1981).[5]

Cha mẹ cô là đôi bạn thời trung học sau đó kết hôn với nhau năm 18 tuổi. Cả hai ly dị khi cô còn nhỏ, từ đó cô sống với mẹ.[6] Hai mẹ con chuyển từ nơi sinh của cô ở Daegu đến quận Gangnam ở Seoul, nơi cô được đào tạo như một vận động viên trượt băng nghệ thuật ở trường tiểu học, nhưng đã từ bỏ vào năm lớp 8.[7] Mặc dù Song Hye-kyo tự nhận mình là người nhút nhát và hướng nội nhưng cô được giáo viên trường trung học mô tả là có "tính cách vui vẻ, cô hòa hợp tốt với bạn bè và luôn trong tâm trạng tươi sáng."[8][9].

Song Hye-kyo theo học trường tiểu học Seoul Daedo, trường nữ sinh cấp 2 Sookmyung và trung học nữ Eunkwang. Năm 2000, ghi danh vào khoa đạo diễn của Đại học Sejong cho đến học kỳ I năm 1 và xin bảo lưu kết quả. Sau đó, Song Hye-kyo không thể sắp xếp thời gian và chính thức thôi học năm 2002.[10]