มารีอา มิตเชลล์เกิดที่ เกาะแนนทัคเก็ต ซึ่งเป็นเกาะเล็กๆ นอกชายฝั่งรัฐแมสซาชูเซตส์ สืบเชื้อสายมาจาก ปีเตอร์ ฟาลเกอร์ และ แมรี่ มอร์ริลล์ มัลเกอร์ และยังเป็นลูกพี่ลูกน้องห่างๆกับ เบนจามิน แฟรงคลิน อีกด้วย เธอมีพี่ชายและน้องสาวเก้าคน(รวมเธอเป็นสิบคน) พ่อแม่ของเธอ วิลเลียม มิตเชลล์ และลิเดีย โคลแมน มิตเชลล์ ต่างนับถือนิกายโปรเตสแตนต์ คณะเควกเกอร์ ซึ่งหนึ่งในหลักความเชื่อของคณะเควกเกอร์คือความเสมอภาคทางสติปัญญาระหว่างเพศ และทำให้มารีอา มิตเชลล์ได้เติบโตในชุมชนแนนทัคเก็ตที่ได้รับการยกย่องว่า มีความเท่าเทียมทางเพศสูง

พ่อแม่ของมารีอาเป็นเหมือนเควกเกอร์คนอื่นๆ ที่ให้ความสำคัญกับการศึกษาและยืนกรานที่จะให้มารีอาได้รับการศึกษาเหมือนกับเด็กผู้ชาย อีกทั้งมารีอาก็โชคดีที่พ่อของเธอเป็นครูในโรงเรียนของรัฐ ที่สนใจในวิชาคณิตศาสตร์และดาราศาสตร์มาโดยตลอด โดยลูกๆ ของเขาทุกคนได้รับการปลูกฝังความรู้ด้านดาราศาสตร์[5] นอกจากนี้เกาะแนนทัคเกตยังเป็นเกาะที่สำคัญ ในการเป็นท่าเรือล่าวาฬ ทำให้เหล่าลูกเรือต้องทิ้งภรรยาของตนไว้บนเกาะเวลาที่ต้องออกทะเลเป็นระยะเวลานาน จึงทำให้ภรรยาของชาวเรือต้องจัดการ กิจการที่บ้านด้วยตนเองในขณะที่สามีอยู่ในทะเล ทำให้ผู้หญิงบนเกาะมีความเท่าเทียมและอิสระมาก

ในวัยเด็กมารีอาศึกษาที่โรงเรียนเอลิซาแบท การ์เนอร์ ก่อนจะย้ายมาเข้าเรียนที่โรงเรียนมัธยมนอทแกรมมาที่พ่อของเธอเป็นครูใหญ่คนแรก สองปีหลังจากการก่อตั้งโรงเรียน ตอนที่มารีอาอายุ 11 ขวบ พ่อของเธอก็ก่อตั้งโรงเรียนของตัวเองบนถนนโฮเวิร์ด ที่นั่นเธอเป็นทั้งนักเรียนและเป็นผู้ช่วยสอนให้พ่อ[6] ที่บ้านพ่อยังสอนดาราศาสตร์ ให้มารีอาโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ส่วนตัว[7] ตอนอายุ 12 ครึ่ง เธอก็สามารถช่วยพ่อคำนวณช่วงเวลาการเกิดที่แน่นอนของสุริยุปราคา[8]

หลังจากที่โรงเรียนของพ่อปิดแล้ว หลังจากนั้นเธอก็เข้าศึกษาที่โรงเรียนเพื่อหญิงสาวของรัฐมนตรี Cyrus Peirce ซึ่งต่อมาเธอทำงานให้กับท่านรัฐมนตรีในฐานะผู้ช่วยสอน ก่อนที่จะไปเปิดโรงเรียนของตัวเองในปี 1835 โรงเรียนของมารีอาอนุญาตให้เด็กที่ไม่ใช่ผิวขาวเข้าเรียนร่วมกับเด็กผิวขาวได้ ซึ่งทำให้เกิดปัญหาขึ้นเนื่องจากในขณะนั้น โรงเรียนรัฐในท้องถิ่นยังคงแยกเรียนกันอยู่[9] หนึ่งปีต่อมาเธอก็ได้รับงานเป็นบรรณารักษ์คนแรกของห้องสมุด Nantucket Atheneum, [9] ซึ่งเธอทำงานมา 20 ปี[10]