มาโอะ โคบายาชิเกิดในปี 1982 ที่เมืองโอจิยะ จังหวัดนีงาตะ เป็นลูกสาวคนสุดท้องในบรรดาพี่น้อง 2 คน ครอบครัวของเธอย้ายไปมาระหว่างไซตามะ จังหวัดไซตามะ และนิชิโนะมิยะ จังหวัดเฮียวโงะ 7 ครั้ง ก่อนจะมาตั้งรกรากที่อารากาวะ จังหวัดโตเกียว เมื่อเธอเรียนอยู่ชั้นมัธยมปลาย[1] พี่สาวของเธอคือมายะ โคบายาชิ (小林 麻耶, เกิดปี 1979) ซึ่งเป็นนักข่าวเช่นเดียวกับเธอ

เธอเข้าเรียนที่โรงเรียนมัธยมปลาย Kokugakuin ในปี 2005 เธอสำเร็จการศึกษาจากภาควิชาจิตวิทยาที่มหาวิทยาลัยโซเฟีย