1900年5月10日，塞西莉娅·佩恩出生在英国的多文尔。她是家中长女，4岁时父亲去世了，母亲不得不独自抚养3个孩子。

但佩恩的母亲并未因此而整日愁眉苦脸，相反，她兴趣广泛，富有活力，她的爱好在当时的上流女性中也显得颇为特别。她喜爱天文，当佩恩还只是一个婴儿的时候，母亲就开始给她讲关于星空的故事了。

一天，佩恩和妈妈去散步，一颗流星划过天空，小佩恩歪着头注视着流星，母亲借机跟她解释天上的景象到底是怎么回事——那是一颗陨石滑落了下来。她还编了一首童谣和佩恩一路唱回家：“那天晚上，在回家的路上，我们看到了一块闪亮的陨石……”多年后，佩恩对这首童谣记忆犹新，那不仅勾起了对母亲的温馨回忆，也回忆起自己对天文的热爱正是从那时开始的。

在上学之前，佩恩有大量时间待在家庭图书馆里，广泛阅读了那个时代的经典作品，培养了良好的音乐、戏剧等艺术的欣赏能力。同时，她也展现出杰出的数学才能，以及在理性思维方面具有的天赋。

佩恩8岁时，她就有了成为一名科学家的想法。那是很平常的一天，亲子伴读的时光，母亲拿起了一本意大利的故事书读给她听，她从书中成功辨认出一朵兰花，佩恩为这个发现欣喜不已。当一个孩子凭自己的经验和知识找到问题的答案，并得到了正确的验证，这种鼓舞是相当振奋人心的。

她在很多年后依然记得那个瞬间，尽管后来的职业生涯中经历了无数这样的时刻，每一次当她设想的理论被实践证实，她又会重温儿时的那种兴奋。可能正是这种原动力不断推动她在科学的道路上攀登。

12岁那年，佩恩随家人搬到伦敦，就读于当地一所中学，这所学校第一年不开设科学课，酷爱自然科学的她只能自学物理和数学知识。但佩恩是个有想法的姑娘，她觉得将来要从事科学研究的话，一定要打下良好的基础。于是，她要求学校让她学习数学，但学校却认为根本没有这个必要。当时英国的社会非常保守，认为女性不适合从事科研工作，自然也就无须学习科学。学校的一位数学老师甚至直接对她说：“你永远成为不了一位学者。”佩恩的抗争不仅无效，还被学校勒令退学。

后来，她转学到了风气更为开放的圣保罗女子学校，终于如愿以偿地学习了科学、法语、德语和拉丁语等不同学科。不仅如此，她还发展了音乐方面的特长，她的老师鼓励她走音乐之路，成为一名音乐家，但她却坚定地选择了科学研究之路。