Figlio di Thomas e Joan Harvey, William fu il primo di nove figli, sette maschi e due femmine. Il padre era un uomo d'affari impegnato nel commercio con l'estero e grazie all'agiatezza economica derivante da questa professione, il giovane William poté subito dedicarsi agli studi e alla sua passione per la medicina. A differenza dei fratelli, che furono assorbiti dal mondo del commercio seguendo le orme paterne, William Harvey dimostrò già in tenera età una profonda passione per lo studio dei classici e del latino. All'età di dieci anni si iscrisse alla scuola del Re di Canterbury, dove ricevette un'approfondita educazione umanistica. A sedici anni entrò al Gonville and Caius College di Cambridge e qui ebbe per la prima volta l'opportunità di assistere alla pratica della dissezione. Per l'insegnamento dell'anatomia a scuola, infatti, venivano sezionati ogni anno i cadaveri di due criminali giustiziati. Conseguito il diploma nel 1597, viaggiò attraverso la Francia, la Germania e l'Italia dove, nel 1600, si trasferì all'Università di Padova. A Padova studiò medicina e fu allievo di Girolamo Fabrici d'Acquapendente, successore di Gabriele Falloppio e del filosofo Cesare Cremonini.