Docter dilahirkan di Bloomington, Minnesota, anak lelaki kepada pasangan Rita Margaret (Kanne) dan David Reinhardt Docter.[6] Keluarga ibunya berketurunan Denmark-Amerika.[7] Beliau dibesarkan dalam suasana introvert dan terasing secara sosial, lebih suka bekerja sendirian dan perlu mengingatkan dirinya untuk berhubung dengan orang lain. Beliau sering bermain di tepi sungai di samping rumahnya, berpura-pura menjadi Indiana Jones dan melakonkan adegan.[8] Seorang rakan sekelas yang lebih muda kemudiannya menggambarkannya sebagai "kanak-kanak ini yang benar-benar tinggi, tetapi yang agak canggung, mungkin mendapat perhatian oleh pembuli sekolah kerana suaranya berubah pada masa puber adalah sangat kasar".[2]

Kedua ibu bapanya bekerja dalam sektor pendidikan: ibunya, Rita, mengajar muzik dan bapanya, Dave, adalah pengarah kor di Normandale Community College. Beliau telah menghadiri Sekolah Menengah Nine Mile, Oak Grove Junior High, dan Sekolah Tinggi John F. Kennedy di Bloomington. Tidak seperti dua kakaknya, Kirsten Docter, yang kini menjadi pemain biola Cavali String Quartet, dan Kari Docter, pemain cello dengan Metropolitan Opera, Docter tidak begitu berminat dengan muzik walaupun beliau belajar bermain dabal bes dan bermain dengan orkestra untuk runut bunyi Monsters, Inc.[9] dan Up.[10]

Docter mengajar dirinya membuat kartun, membuat buku-buku flip dan seluar pendek animasi buatan sendiri dengan kamera filem keluarga.[2] Beliau kemudian menjelaskan minatnya dalam animasi sebagai cara untuk "memainkan Tuhan", membentuk watak hampir hidup. Pengarah kartun Chuck Jones, penerbit Walt Disney, dan kartunis Jack Davis adalah inspirasi utama.[11]

Beliau menghabiskan masa kira-kira satu tahun di Universiti Minnesota[2] mengkaji kedua-dua falsafah dan membuat seni[11] sebelum dipindahkan ke Institut Kesenian California, di mana beliau memenangi Anugerah Akademi Pelajar untuk penerbitannya "Next Door" dan tamat belajar pada tahun 1990.[12] Walaupun Docter merancang untuk bekerja untuk Perbadanan Disney, tawaran terbaiknya datang dari Pixar dan dari penerbit The Simpsons.[2] Beliau tidak terlalu banyak memikirikan tentang Pixar pada waktu itu,[11] dan kemudian mempertimbangkan pilihannya untuk bekerja di sana yang aneh dan luar biasa.[3]