Takasugi Shinsaku chào đời tại thị trấn dưới chân thành Hagi, thủ phủ của phiên Chōshū (nay là tỉnh Yamaguchi) là trưởng nam của Takasugi Kochuta, một samurai hạng trung trong phiên và mẹ là bà Michi (道, Michi?). Ông còn có ba người em gái tên là Tomo (智, Tomo?), Sachi (幸, Sachi?) và Mei (明, Mei?). Ông mắc bệnh đậu mùa khi mới 10 tuổi, nhưng may mắn thay đã khỏi bệnh.

Takasugi nhập học Shoka Sonjuku, trường tư thục nổi tiếng của Yoshida Shōin. Takasugi đã cống hiến hết mình cho việc hiện đại hóa quân đội của Chōshū, và trở thành học trò cưng của Yoshida. Năm 1858, ông vào học tại Shōheikō (một trường quân sự dưới quyền kiểm soát trực tiếp của Tướng quân tại Edo). Khi Shōin bị bắt trong Cuộc thanh trừng Ansei năm 1859, Takasugi đã đến thăm thầy mình trong tù. Shōin sau đó bị hành quyết vào ngày 21 tháng 11 năm 1859. Tháng 12 năm 1859, ông trở về nhà theo lệnh của phiên chủ.

Tháng 1 năm 1860, Takasugi kết hôn với Inoue Masa, con gái thứ hai của gia thần và quan phụng hành xứ Yamaguchi là Inoue Heiemon, một người bạn thân của cha mình. Masa được cho là phụ nữ xinh đẹp nhất xứ Suō và Nagato. Cuộc hôn nhân của họ là do cha mẹ Takasugi sắp đặt, với hy vọng ông sẽ nguôi ngoai về cái chết của thầy mình vào năm 1859 và ổn định cuộc sống gia đình với tân nương.

Tuy nhiên, vào tháng 4 năm 1861, Takasugi quyết định bỏ nhà và tham gia khóa huấn luyện hải quân trên tàu chiến của gia tộc Heishinmaru, và đi đến Edo. Về sau vào tháng 9 cùng năm, ông đến du học vùng Tōhoku, có cơ hội kết giao với Sakuma Shōzan và Yokoi Shōnan.