Nato nella cittadina inglese di Salford nei pressi di Manchester il 31 maggio 1819, fu il terzo figlio di James ed Anne Mayo. Il padre morì quando William aveva sette anni e la madre, ormai vedova, fu in grado di dare al figlio una buona istruzione. Infatti in un periodo in cui più della metà del bambini inglesi non frequentavano la scuola, William studiò il latino e il greco, prese lezioni private dal noto scienziato John Dalton, il quale gli trasmise il suo entusiasmo per la chimica che William non abbandonò mai. Sotto il tutorato di Dalton, William intraprese i suoi studi di medicina che poi continuò presso l'ospedale di Londra e Glasgow, ma in nessuna delle due città restò tanto a lungo da concludere gli studi e ottenere così la laurea che gli permettesse di esercitare. William era un giovane molto curioso e voglioso di vedere il mondo per questo la chiamata dell'America gli parve un'avventura da non perdere unita alla possibilità di migliorare la propria vita. Così nel 1845, all'età di 26 anni, giunse al porto e si imbarcò, senza chiedere il consenso della madre e neppure dirle addio. Non era nei suoi desideri tenere la faccenda segreta né vi erano risentimenti tra lui e la madre, l'impetuosità faceva parte del suo essere indipendente. Giunto in America lavorò per un primo momento come chimico presso l'ospedale di New York, ma insoddisfatto delle condizioni di lavoro abbandonò e trascorse l'estate del 1849 lavorando per il Dr Deming. Si iscrisse ai corsi di medicina dell'Indiana Medical College, ottenendo la laurea il 14 febbraio 1850. L'Indiana Medical College aveva un'ottima reputazione e i suoi studenti erano richiesti dal Vermont e dal nord Carolina. Fu inoltre una delle prime facoltà ad avere un microscopio, che catturò subito l'attenzione del giovane William. Trovò un'occupazione a Lafayette, ma un anno dopo scomparve dal suo studio e si sposò con Louise Abigail Wright a Galena. Era impetuoso ed indipendente come sempre. Il 1850 fu un anno caratterizzato da molte epidemie: colera, forme maligne di dissenteria e malaria principalmente. Il grande flagello dell'Indiana fu proprio la malaria a causa dell'umidità ed essendo l'agente patogeno sconosciuto si attribuiva la causa della malattia ad un vapore velenoso, sostanza maligna che viaggiava nell'aria soprattutto di notte. Le persone, nonostante la diffusione di tali malattie, cercavano comunque di curarsi tramite rimedi casalinghi e richiedevano l'ausilio del medico solo se strettamente necessario. Ciò probabilmente era dovuto alla convinzione che persino il medico poteva contribuire poco. Quindi sebbene il lavoro del Dr. Mayo copriva un vasto territorio, era poco remunerativo. A coprire le entrate mancanti fu la moglie, la quale apri un negozio di modisteria che ebbe subito successo. Il Dr. Mayo tentò di aumentare i suoi guadagni seguendo il Dr. Deming, nuovo professore di anatomia presso l'università del Missouri, come suo assistente. Non restò lì a lungo e presto si mise in viaggio alla ricerca di un luogo in cui poter fare davvero il medico. “a presto Louise” disse alla moglie “cavalcherò fino a quando starò meglio o morirò".