Annie Scott Dill Russell dilahirkan pada tahun 1868 di The Manse, Strabane, County Tyrone, Ireland Utara kepada pasangan William Andrew Russell dan Hessy Nesbitt Russell.[3][4] Bapanya ialah pendeta Gereja Presbiterian di Strabane sehingga 1882.[3][5] Manakala ibunya ialah anak kepada seorang pendeta di gereja yang sama.[4][6] Annie ialah anak sulung dari enam beradik yang dibesarkan dalam rumah tangga Kristian yang taat dengan pengasuhan yang serius.[3][6] Semua anak dari keluarga tersebut ialah ahli akademik.[3][4][5] Adiknya, Hester Dill Russell, belajar sains kedoktoran di bawah bimbingan Dr. Elizabeth Garrett Anderson di Sekolah Kedoktoran untuk Wanita di London. Hester memenuhi syarat sebagai peserta ujian MB akhir pada 1891. Hester menjadi mubaligh perubatan di India dan kemudian berkahwin dengan seorang mubaligh perubatan lain.[4][5]

Annie dan adik perempuannya, Hester, melanjutkan pendidikan menengah di Ladies Collegiate School di Belfast, yang kemudian menjadi Victoria College.[7][8][9] Belia memenangi anugerah dalam ujian sekolah menengah pada 1886 pada usia 18 tahun, sehingga Annie dapat mengikuti ujian masuk biasiswa Girton dan beliau dianugerahkan biasiswa selama tiga tahun sebanyak £35 setiap tahun.[3][5]

Annie belajar di Universiti Cambridge (Girton College), dan padam1889 beliau menerima graduan ujian ijazah dan menerima ijazah sebagai ahli matematik terbaik di Girton.[1] Di sini, beliau juga masuk dalam senarai Senior Optime (setara dengan kelas dua di universiti lain).[2][10] Annie ialah wanita pertama dari Ireland yang menerima gelaran ini.[3] Pembimbing matematikanya ialah mahasiswa di perguruan tinggi lelaki.[3][5] Namun pembatasan tempoh ketik itu tidak mengizinkannya untuk menerima ijazah BA yang kemungkinan besar akan diterimanya.[6][9]