Chastain dilahirkan di Sonoma, Sacramento, California (berlainan sumber),[lower-alpha 1] anak perempuan kepada Jerri Renée (née Chastain), seorang chef. Beliau dibesarkan oleh ibu dan bapa tirinya, Michael Leroy Hastey, seorang ahli bomba. Adik beradiknya termasuk Juliet Christina Chastain (1978–2003),[8] dan William Hasty, Jacquelyn Hasty dan Daniel Hastey, dari perkahwinan ibunya yang lain.[9][10][11][12][13] Beliau rapat dengan nenek sebelah ibu beliau, Marilyn, yang menghadiri Oscars bersamanya pada tahun 2012 dan 2013.[14][15][16][17] Beliau berketurunan Sepanyol (dari datuk sebelah bapa), Greek (dari moyang), Belanda, Inggeris, Scotland-Ireland, Scotland, Jerman dan Perancis Huguenot.[18][19]

Sebagai pelajar di Sekolah Menengah Asas El Camino di Sacramento, Chastain bergelut secara akademik.[6][20] Beliau merupakan seorang penyendiri dan menganggap dirinya sebagai salah faham di sekolah, akhirnya mencari outlet di seni persembahan.[21] Beliau telah berkata, "Saya pernah ponteng sekolah untuk membaca Shakespeare, bukannya di taman"[22] Beliau pertama kali mengembangkan minat untuk dalam bidang lakonan pada usia tujuh tahun, selepas neneknya membawanya ke penerbitan Joseph and the Amazing Technicolor Dreamcoat. Chastain akan selalu mengadakan pertunjukan amatur dengan lanak-lanak lain, dan menganggap dirinya sebagai "pengarah artistik" mereka.[19] Dengan terlalu banyak ketidakhadiran semasa sekolah menengah di sekolahnya, Chastain tidak layak untuk tamat pengajian, tetapi akhirnya mendapat ijazah dewasa.[20] Beliau kemudiannya menghadiri Sacramento City College dari 1996 hingga 1997, di mana beliau menjadi ahli pasukan perdebatan mereka.[23] Ditanya mengenai zaman kanak-kanaknya, Chastain telah berkata:

Saya [membesar] bersama ibu tunggal yang bekerja keras untuk meletakkan makanan di atas meja kami. Kami tidak mempunyai wang. Terdapat banyak malam apabila kita terpaksa tidur tanpa makan. Ianya sangat sukar. Ia tidak mudah untuk saya membesar.[24]

Pada tahun 1998, Chastain membuat kemunculan pentas profesionalnya sebagai Juliet dalam penerbitan Romeo and Juliet dipentaskan oleh TheatreWorks, sebuah syarikat di San Francisco Bay Area.[25][26] Penerbitan itu membawa beliau untuk uji bakat untuk Sekolah Juilliard di New York City, di mana beliau tidak lama lagi menerima biasiswa yang dibiayai oleh pelakon Robin Williams (kini mendiang).[19][20] Pada tahun pertama di sekolah, Chastain menggambarkan dirinya sebagai "kecelakaan kebimbangan"; Beliau sentiasa bimbang akan digugurkan dari program dan menghabiskan sebahagian besar masa untuk membaca dan menonton filem.[19][26] Beliau kemudian menyatakan bahawa penyertaannya dalam penerbitan The Seagull yang berjaya dalam tahun kedua membantu membina keyakinannya.[26] Beliau lulus dari sekolah dengan ijazah Sarjana Muda Seni Halus pada tahun 2003.[26]