Spielberg sinh ngày 18 tháng 12 năm 1946 tại thành phố Cincinnati, tiểu bang Ohio, trong một gia đình Do Thái.[8] Mẹ ông, Leahanni (nhũ danh Posner, sau này là Adler; 12 tháng 1 năm 1920 - 21 tháng 2 năm 2017),[9] là một nghệ sĩ đàn dương cầm, còn bố ông, Arnold Spielberg (sinh năm 1917), là một kỹ sư chuyên ngành kỹ thuật điện.[10] Ông bà nội của Spielberg đều là người Ukraine gốc Do Thái,[11][12] đã định cư ở Cincinnati vào những năm 1900; bà của Spielberg đến từ Sudylkiv, còn ông thì đến từ Kamianets-Podilskyi.[13][14] Năm 1950, gia đình ông chuyển đến thị trấn Haddon, New Jersey, khi cha ông làm việc ở công ty RCA. Ba năm sau, họ lại chuyển đến thành phố Phoenix, Arizona thuộc bang Arizona.[15] Sau đó Spielberg theo học trường dạy tiếng Do Thái từ năm 1953 đến 1957, do Rabbi Albert L. Lewis giảng dạy.[16] Họ của ông có nguồn gốc là tên một thành phố của Áo, thành phố Spielberg bei Knittelfeld, nơi những người tổ tiên Hungary gốc Do Thái của ông đã sống ở thế kỷ 17.

Khi còn là một đứa trẻ, Spielberg phải đối mặt với việc khó hoà đồng vì nhận thức của những người bạn mà ông chơi cùng. "Đó không phải là điều tôi muốn thừa nhận,". Spielberg cũng nói rằng ông phải chịu đựng những hành vi phân biệt chủng tộc và bị bắt nạt: "Ở trường trung học, tôi bị đánh và đá, làm cho lỗ mũi tôi chảy ra máu. Thật kinh khủng."[17][18][19] Năm 12 tuổi, ông thực hiện bộ phim đầu tiên tại nhà bằng mô hình đồ chơi Lionel, với nội dung chính là một vụ tai nạn tàu hỏa. Trong suốt thời niên thiếu, và sau khi vào cấp ba, Spielberg tiếp tục làm những bộ phim nghiệp dư 8 mm đề tài "mạo hiểm" với bạn bè.[20]

Năm 1958, ông trở thành một hướng đạo sinh và đã nhận được giải thưởng Distinguished Eagle Scout Award nhờ việc phát triển những tiêu chuẩn trao tặng huy hiệu danh dự cho hoạt động điện ảnh của hướng đạo sinh bằng cách làm một bộ phim dài 8 phút có tựa đề Cuộc đấu súng cuối cùng.[21] Nhiều năm sau, Spielberg nhớ lại: "Máy ảnh tĩnh của cha tôi bị hỏng, vì vậy tôi đã hỏi người hướng đạo xem tôi có thể kể chuyện bằng máy quay phim của cha tôi không. Ông ấy nói có, và tôi nảy ra ý tưởng cho một bộ phim. Tôi đã làm nó và nhận được bằng khen của mình. Đó là cách mà mọi thứ bắt đầu."[22] Năm 13 tuổi, khi sống ở Phoenix, Spielberg đã giành giải thưởng đầu tiên với một bộ phim 40 phút về đề tài "chiến tranh" mà cậu đặt tên là Escape to Nowhere, với dàn diễn viên gồm những bạn học của ông.[23] Điều đó đã thúc đẩy ông làm thêm 15 bộ phim nghiệp dư 8 mm khác.

Một số tác phẩm mà Spielberg nói rằng có ảnh hưởng lớn với ông bao gồm King of the Monsters (1956), mà ông gọi là "bậc thầy của tất cả các bộ phim về khủng long bởi vì nó khiến bạn tin rằng nó đã thực sự xảy ra",[24] cũng như như Thuyền trưởng gan dạ (1937), Pinocchio (1940), và đặc biệt là Lawrence xứ Ả Rập (1962). Năm 1963, tại trường cấp III Arcadia ở Phoenix, cậu học sinh 16 tuổi Spielberg đã viết và đạo diễn bộ phim độc lập đầu tiên của mình, một bộ phim phiêu lưu khoa học viễn tưởng dài 140 phút có tên Firelight, bộ phim đã tạo cảm hứng cho một tác phẩm lớn của Spielberg sau này là Close Encounters of the Third Kind. Firelight với ngân sách 400 USD đã được chiếu ở một rạp địa phương và thu về 100 USD. Một nhà báo ở thành phố Phoenix khi đó đã viết rằng cậu học sinh này sau đó có thể làm được những tác phẩm lớn[25].

Sau khi theo học tại trường trung học Arcadia ở Phoenix trong ba năm, gia đình ông tiếp tục chuyển đến Saratoga, California, sau đó ông tốt nghiệp trường trung học Saratoga vào năm 1965. Sau khi bố mẹ ly dị, Steven Spielberg chuyển đến tiểu bang California ở với bố trong khi ba em gái và bà mẹ vẫn ở lại Arizona. Mục tiêu dài hạn của ông là trở thành một đạo diễn phim. Tại đây, Spielberg đăng ký tới ba lần vào trường điện ảnh của Đại học California tại Los Angeles và trường điện ảnh truyền hình của Đại học Nam California nhưng đều không được nhận vì chỉ tốt nghiệp cấp III với điểm trung bình loại C. Sau khi Spielberg đã là một đạo diễn nổi tiếng, USC đã trao tặng bằng tốt nghiệp danh dự cho ông năm 1994 và đến năm 1996 thì Spielberg đã trở thành một ủy viên quản trị của trường. Cuối cùng cậu thanh niên Spielberg vào học tại Đại học California tại Long Beach để tránh phải đi lính trong Chiến tranh Việt Nam.[23]

Cũng tại đây Spielberg bắt đầu tham gia vào ngành công nghiệp điện ảnh với công việc thực tập không lương ở bộ phận biên tập của hãng phim Universal. Năm 1968, ông làm bộ phim ngắn đầu tiên để chiếu rạp, đó là bộ phim 24 phút với tựa đề Amblin'. Sidney Sheinberg, người sau đó trở thành phó chủ tịch phụ trách sản xuất của hãng truyền hình thuộc Universal đã xem bộ phim và lập tức Spielberg trở thành đạo diễn trẻ nhất trong lịch sử được ký hợp đồng dài hạn với Universal, một trong các hãng phim chính của Hollywood, cậu bỏ học và bắt đầu sự nghiệp đạo diễn chuyên nghiệp. Spielberg sau đó trở lại Đại học bang California, Long Beach và hoàn thành bằng cử nhân về Nghệ thuật Điện ảnh và Điện tử năm 2002.[26]