Sigmund Freud nasceu de pais judeus asquenazes na cidade morávia de Freiberg, que fazia parte do Império Austríaco (atualmente Příbor, na República Tcheca), sendo o primogênito de oito filhos. Ambos os seus pais eram originários da Galícia, uma província histórica que abrangia a região atual do oeste da Ucrânia e o sudeste da Polônia. Seu pai, Jakob Freud (1815–1896), era um comerciante de lã que teve dois filhos, Emanuel (1833–1914) e Philipp (1836–1911), de seu primeiro casamento. A família de Jakob era composta por judeus hassídicos, e, embora Jakob mesmo tenha se afastado dessa tradição, ele ficou conhecido por seu estudo da Torá. Ele e a mãe de Freud, Amalia Nathansohn, que era 20 anos mais jovem e sua terceira esposa, foram casados pelo Rabino Isaac Noah Mannheimer em 29 de julho de 1855. Eles enfrentavam dificuldades financeiras e viviam em um quarto alugado, na casa de um ferreiro na Schlossergasse 117 quando seu filho Sigmund nasceu. Ele nasceu com o véu, que sua mãe viu como um presságio positivo para o futuro do menino.
Em 1859, a família Freud deixou Freiberg. Os meio-irmãos de Freud imigraram para Manchester, Inglaterra, separando-o de John, o filho de Emanuel, que era seu “inseparável” companheiro de brincadeiras na infância. Jakob Freud levou sua esposa e os dois filhos (a irmã de Freud, Anna, nasceu em 1858; um irmão, Julius, nascido em 1857, morreu na infância) primeiro para Leipzig e, em seguida, em 1860, para Viena, onde nasceram quatro irmãs e um irmão: Rosa (nascida em 1860), Marie (nascida em 1861), Adolfine (nascida em 1862), Paula (nascida em 1864) e Alexander (nascido em 1866). Em 1865, o jovem Freud, com nove anos, ingressou no Leopoldstädter Kommunal-Realgymnasium, uma escola secundária proeminente. Ele se revelou um aluno excepcional e se formou no Matura em 1873 com honras. Freud era apaixonado por literatura e era proficiente em alemão, francês, italiano, espanhol, inglês, hebraico, latim e grego.
Freud ingressou na Universidade de Viena aos 17 anos. Inicialmente, planejava estudar direito, mas acabou se juntando à faculdade de medicina da universidade, onde seus estudos incluíram filosofia sob a orientação de Franz Brentano, fisiologia com Ernst Brücke, e zoologia com o professor darwinista Carl Claus. Em 1876, Freud passou quatro semanas na estação de pesquisa zoológica de Claus em Trieste, dissecando centenas de enguias em uma busca inconclusiva por seus órgãos reprodutivos masculinos. Em 1877, Freud mudou-se para o laboratório de fisiologia de Ernst Brücke, onde passou seis anos comparando os cérebros de seres humanos com os de outros vertebrados, como rãs, lampreias, bem como invertebrados, como o caranguejo de água doce. Seu trabalho de pesquisa sobre a biologia do tecido nervoso foi fundamental para a subsequente descoberta do neurônio na década de 1890. O trabalho de pesquisa de Freud foi interrompido em 1879 pela obrigação de cumprir um ano de serviço militar compulsório. Os longos períodos de folga possibilitaram que ele concluísse uma comissão para traduzir quatro ensaios das obras coletadas de John Stuart Mill. Freud se formou com um título de médico (MD) em março de 1881.