В його роду є англійські, німецькі, ірландські та шотландські корені. Його батько був видатним юристом, а мама працювала в раді директорів First Interstate BancSystemта United Way of America.Дідом Гейтса по матері був Джеймс Віллард Максвелл, президент національного банку. Білл мав одну старшу сестру Крісті (Крістіанну), та одну молодшу сестру, Ліббі. В своїй сім'ї він четвертий хто носить таке ім'я, але відомий як Вільям Гейтс III, а його бабуся назвала його "Трійкою" (англ. Trey, як гральна карта) тому що його батько мав в імені суфікс "II". На початку його життя, батьки хотіли для нього кар'єру юриста. Коли Гейтс був дитиною, його сім'я регулярно відвідувала конгрегаціоналістську церкву (протестантська кальвіністська церква). В сім'ї заохочувалося змагання; один з гостей розповідав що "не мало значення чи це були чирви чи піклбол чи плавання до пірсу ... завжди була винагорода за виграш і завжди було пенальті за програш". В дитинстві Білл Гейтс сам хитався в колисці, а його улюбленою іграшкою був кінь-качалка. Ця звичка збереглася і в дорослому віці Білл Гейтс похитується коли напружений.
У віці 11 років він підписав свій перший контракт з сестрою про оренду бейсбольної рукавички за 5 доларів. Також, в дитинстві він багато займався спортом, особливо тенісом і водними лижами, а також був, як і його батько, був бойскаутом. Щоправда його батько мав ранг "орлиного бойскаута", а Гейтс лише "пожиттєвого". Попри заняття спортом, його образ у школі визначали інтелект, окуляри та худорлявість. Один з викладачів казав що Білл Гейтс був "нердом" ще до появи цього терміна. Коли у четвертому класі їм задали написати роботу з природознавства на 5 сторінок, він написав на 30.
У віці 13 років, він пішов вчитися до Лейксайдської школи, приватної підготовчої школи. Коли він був у восьмому класі, Клуб Матерів використав кошти від шкільного розпродажу для купівлі терміналу ASR Teletype Model 33 та відрізок комп'ютерного часу за 4.8$/хв на комп'ютері компанії General Electric. Гейтс дуже зацікавився програмуванням цього комп'ютера мовою BASIC, і його навіть відпускали з уроків математики щоб він міг займатись своїм хобі. Він написав свою першу програму для цієї машини - хрестики-нулики в якій можна було грати проти комп'ютера. Машина зачарувала Гейтса тим, що вона завжди абсолютно точно виконувала код. Згадуючи цей момент він сказав: "В машині було щось дуже елегантне."На відміну від комп'ютерних піонерів до нього Білл не цікавився апаратною частиною комп'ютера. Коли його дав йому завдання зібрати пристрій з набору RadioShack, Гейтс здав неробочий пристрій з якого мало не витікав припій.
Після того як подарунок від клубу матерів вичерпався, він та інші учні шукали час на інших системах, зокрема мінікомп'ютерах DEC PDP. Одним з таких комп'ютерів був PDP-10 що належав Computer Center Corporation (CCC), яка заблокувала чотирьох учнів Лейксайдської школи: Гейтса, Пола Аллена, Ріка Вейланда, та Кента Еванса на все літо, після того як було виявлено що вони використовують помилки в операційній системі щоб отримати безкоштовний час.
Після закінчення блокування, їм чотирьом запропонували шукати помилки в програмному забезпеченні CCC в обмін на комп'ютерний час. Гейтс ходив в офіси CCC і вивчав джерельний код різноманітних програм що працювали в системі, серед яких були програми на Fortran, Lisp, та машинний код. Угода з CCC продовжувалась аж до 1970, коли компанія збанкрутувала. Наступного року, Information Sciences, Inc. найняла чотирьох Лейксайдських учнів для написання зарплатних програм на COBOL, надаючи їм комп'ютерний час і відсотки від продажів. Коли адміністрація школи дізналась про програмістські здібності Гейтса, він написав програму для складання розкладів у школі. Він змінив код так, що він попадав у класи з "непропорційною кількістю цікавих дівчат."Пізніше він стверджував "було важко відірвати себе від машини, за якою я міг так однозначно демонструвати успіх." У віці 17 років, Гейтс з Алленом сформували підприємство, яке назвали Traf-O-Data, яке мало виробляти лічильники трафіку на основі процесора Intel 8008. На початку 1973 Білл Гейтс працював пажем в Палаті представників США.
Гейтс отримав cтипендію національної заслуги коли випустився зі школи Лейксайд у 1973. Він набрав 1590 балів з 1600 на тестах SAT і подав документи до Гарвардського коледжу восени 1973.Основним курсом він вибрав підготовку до юридичного факультету, але вивчав математику і магістерські курси інформатики. В Гарварді він зустрів товариша - Стіва Балмера. Гейтс покинув Гарвард через два роки, а Балмер залишився і випустився magna cum laude. Багато років по тому Балмер став наступником Гейтса на посаді генерального директора Microsoft і залишався на цій посаді з 2000 до звільнення в 2014.
Протягом другого року навчання, Гейтс придумав алгоритм сортування млинців, як розв'язок до однієї зі списку нерозв'язаних задачзаданих на занятті з комбінаторики Гаррі Р. Льюїсом, одним з його викладачів. Алгоритм Гейтса тримав рекорд найшвидшої версії протягом більше ніж 30 років; а наступний алгоритм був швидшим лише на один відсоток. Пізніше його розв'язок було формалізовано в статті яку він опублікував разом з дослідником Христосом Пападімітріу.
Будучи студентом Гарварду Гейтс не мав визначеного плану навчання, і проводив багато часу використовуючи доступні там комп'ютери. Він підтримував контакт з Полом Алленом, і приєднався до нього в Honeywell влітку 1974. Наступного року випустили MITS Altair 8800, комп'ютер на основі процесора Intel 8080, і Гейтс з Алленом побачили в цьому шанс розпочати власну компанію з розробки програмного забезпечення. В цей час Гейтс покинув Гарвард. Він поговорив про це рішення зі своїми батьками, які підтримали його після того як побачили як сильно їхній син хоче почати власний бізнес. Гейтс пояснив своє рішення покинути Гарвард, словами "...якби все не склалося [з Майкрософт], я завжди зміг би повернутись назад до навчання. Офіційно я був в академічній відпустці."
Тільки через понад 30 років, 2007-го, Гейтс нарешті отримав диплом Гарварду — йому присвоїли почесне звання доктора наук.
Виступаючиз цієї нагоди 7 червня 2007 перед випускниками Гарвардського університету, Гейтс жартував, що подає поганий приклад та закликав рятувати життя людей, які мільйонами гинуть від хвороб у бідних країнах: