เซอร์ทิม เบอร์เนิร์ส-ลีเกิดในกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ เป็นบุตรนายคอนเวย์ เบอร์เนิร์ส-ลี และนางแมรี ลี วูดส์ ทั้งบิดาและมารดาเป็นนักคณิตศาสตร์ที่ทำงานอยู่ในทีมสร้างคอมพิวเตอร์ยุคแรก คือ "แมนเชสเตอร์ มาร์ก 1" ด้วยกัน ทั้งสองได้สอนให้เบอร์เนิร์ส-ลีใช้คณิตศาสตร์ในชีวิตประจำวันไปทุกเรื่อง แม้แต่บนโต๊ะอาหาร เบอร์เนิร์ส-ลีเข้าโรงเรียนชั้นประถมที่โรงเรียน "ชีนเมาท์" (ซึ่งต่อมาได้อุทิศห้องโถงใหม่ห้องหนึ่งเป็นเกียรติแก่เขา) ก่อนที่จะย้ายไปเรียนต่อระดับโอ. และระดับเอ. ที่โรงเรียนเอ็มมานูเอล ที่วานสเวิร์ท

เบอร์เนิร์ส-ลีเป็นศิษย์เก่าของควีนส์คอลเลจ มหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดซึ่งเบอร์เนิร์ส-ลีเป็นตัวแทนแข่งขันเกมส์ "ทิดดลีวิงค์" ประเพณี (เกมแข่งช้อนดีดอีแปะลงถ้วย) กับคู่ปรับเก่าแก่คือมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ด้วย ขณะที่เรียนที่ควีนส์คอลเลจ เบอร์เนิร์ส-ลีได้สร้างคอมพิวเตอร์ด้วยหัวแร้งไฟฟ้า ประกอบทีทีแอล (ทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่ง) ลอจิกเกท และหน่วยประมวลผล เอ็ม 6800 กับโทรทัศน์เก่าเครื่องหนึ่ง และช่วงหนึ่งในระหว่างการศึกษา เบอร์เนิร์ส-ลีถูกจับได้ร่วมกับเพื่อนฐานทำการ "แฮ็ก" คอมพิวเตอร์และถูกห้ามมิให้ใช้คอมพิวเตอร์ของมหาวิทยาลัย เบอร์เนิร์ส-ลีจบการศึกษาปริญญาตรีสาขาฟิสิกส์เมื่อ พ.ศ. 2518