พ่อของพัลโทรว์เป็นชาวยิว[1] ในขณะที่แม่ของเธอมาจากครอบครัวที่เป็นคริสต์ศาสนิกชน[2] เธอถูกเลี้ยงดูให้เฉลิมฉลองทั้งวันหยุดของชาวยิวและชาวคริสเตียน[3] ครอบครัวพ่อของเธอเป็นชาวยิวอัชเคนาซิ โดยอพยพมาจากประเทศเบลารุสและประเทศโปแลนด์[4][5][6][7][8] ในขณะที่แม่ของเธอมีเชื้อสายเยอรมัน, ไอริช และอังกฤษ[9][10][11]

พัลโทรว์เติบโตที่แซนตามอนิกา รัฐแคลิฟอร์เนีย ก่อนที่จะย้ายไปเรียนที่นครนิวยอร์ก[12] ต่อมาเธอศึกษาต่อคณะมานุษยวิทยา ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย แซนตาบาร์บารา ก่อนที่จะออกไปเอาดีด้านการแสดง[13] เธอเคยไปเรียนแลกเปลี่ยนที่ตาลาเบราเดลาเรย์นา ประเทศสเปน ตอนอายุ 15 ปี และได้เรียนภาษาสเปน[14][15][16] เธอยังสามารถสนทนาเบื้องต้นในภาษาฝรั่งเศสได้อีกด้วย[17]