Là con đầu lòng trong một gia đình có năm người con của Edmund và Elizabeth Carey, cả hai đều là thợ dệt trong làng Paulespury ở Northamptonshire. William được nuôi dưỡng trong đức tin Anh giáo; khi lên sáu, cha cậu được chọn làm thư ký giáo xứ và hiệu trưởng trường làng. Từ khi còn bé, William đã ham thích học hỏi và đặc biệt quan tâm đến các môn khoa học tự nhiên, nhất là môn thực vật học, ngoài ra cậu còn có năng khiếu ngoại ngữ và có thể tự học tiếng Latin.

Khi 14 tuổi, cha của Carey gởi cậu đến học việc với một người thợ giày ở làng Hackleton kế cận. Thầy của cậu, Clarke Nichols, cũng là một thành viên tích cực trong nhà thờ, nhưng một người học việc khác, John Warr, lại là một tín hữu không thuộc quốc giáo (Anh giáo). Qua ảnh hưởng của Warr, Carey dần dần rời bỏ Giáo hội Anh để gia nhập một nhà thờ nhỏ thuộc giáo phái Tự trị giáo đoàn ở Hackleton. Trong khi học nghề thợ giày, Carey tự học tiếng Hi Lạp với sự giúp đỡ của một người cùng làng đã từng thụ hưởng nền giáo dục đại học.

Khi Nichols qua đời năm 1779, Carey đến làm việc cho một người thợ giày khác ở gần đó tên Thomas Old. Năm 1781, Carey kết hôn với cô em vợ của Old, Dorothy Plackett. Không giống chồng, Dorothy không biết chữ, cô ký tên trên giấy kết hôn bằng một dấu thập. William và Dorothy Carey có sáu người con, bốn trai hai gái; cả hai cô con gái đều chết khi còn bé. Ông bà Old qua đời sau đó không lâu, và Carey đảm nhận công việc ở hiệu đóng giày, suốt trong thời gian này Carey tự học tiếng Hebrew, Ý, Hà Lan và tiếng Pháp, chăm chỉ đọc sách trong khi vẫn tiếp tục nghề đóng giày. Bằng mọi cách có thể, Carey luôn tìm cách tích luỹ kiến thức trong khi làm việc.