Palin dilahirkan sebagai Sarah Louise Heath di Sandpoint, Idaho. Beliau ialah anak perempuan Sarah Heath (nama sebelum perkahwinan: Sarah Sheeran), yang bekerja sebagai setiausaha di sebuah sekolah, dan Charles R. Heath, seorang guru sains semulajadi dan pelatih atletik.[1][2] Ibu bapanya berketurunan Inggeris, Ireland, dan Jerman.[1] Keluarganya berpindah ke Alaska ketika beliau masih kecil.[2] Sarah dan bapanya kadang-kadang bangun pada jam 3.00 pagi untuk memburu rusa moose sebelum ke sekolah. Keluarganya juga mengikuti pertandingan lumba lari 5 kilometer dan 10 kilometer.[2]

Palin bersekolah di Sekolah Tinggi Wasilla di Wasilla, Alaska. Di sekolahnya, beliau mengetuai Fellowship of Christian Athletes.[2] Dalam paaukan bola keranjang, beliau bermain sebagai point guard sekaligus bertindak sebagai kapten pasukan. Pasukan bola keranjangnya menjadi juara bola keranjang sekolah Alaska pada tahun 1982. Palin berjaya memenangi pertandingan dari lemparan bebas di detik-detik terakhir pertandingan walaupun mengalami patah tulang di pergelangan kaki.[2] Sewaktu aktif di bola keranjang, beliau menerima julukan "Sarah Barracuda" kerana permainannya yang bersemangat.[2]

Pada tahun 1984, Palin memenangi pertandingan kecantikan Miss Wasilla, dan menjadi juara kedua dalam Miss Alaska[3] yang melayakkan beliau menerima biasiswa universiti.[2] Dalam Miss Wasilla, beliau bermain seruling dan memenangi gelaran "Miss Congeniality"[4][5]

Palin mendapat ijazah sarjana dalam bidang kewartawanan dari Universiti Idaho, di mana beliau mendalami sains politik.[6]