Dilahirkan di Huaian, Provinsi Jiangsu, Zhou Enlai merupakan anak sulung serta cucu lelaki sulung kepada keluarga Zhou. Walaupun keluarganya daripada golongan cendekiawan, mereka tidaklah kaya. Datuknya, seorang kakitangan Maharaja yang berpangkat serta bergaji rendah, manakala bapanya berulang kali gagal dalam peperiksaan empayar dan pada seumur hidupnya, bertugas sebagai seorang kerani rendah yang gajinya juga rendah.

Semasa Enlai masih kurang daripada setahun umurnya, beliau diambil sebagai anak angkat oleh bapa saudara bongsu sebelah bapa yang hampir mati, akibat batuk kering. Pengambilan anak angkat dilakukan supaya bapa saudara tersebut tidak akan meninggal dunia tanpa seorang anak lelaki, suatu skandal yang teruk bagi sebuah keluarga Konfusianisme tradisional yang bertaraf tinggi.

Chen, ibu angkatnya, mula mengajar aksara Cina kepada Zhou, sebaik sahaja beliau boleh bertatih-tatih. Ketika beliau mencapai empat tahun umurnya, beliau telah berupaya membaca dan menulis beberapa ratus perkataan.

Pada tahun 1907, ibu kandung Zhou meninggal dunia, akibat batuk kering, dan pada musim panas tahun 1908, Chen juga turut meninggal dunia. Zhou menjadi anak yatim piatu ketika berumur 10 tahun dan diatur untuk meninggalkan Huai'an ke kota Shenyang di Manchuria supaya dapat dijaga oleh bapa saudaranya, Yikang. Ketika Zhou berumur 12 tahun, beliau mendaftarkan diri di sekolah contoh Tung Guan yang mengajar "pembelajaran baru", iaitu matematik dan sains semula jadi, serta juga sejarah , geografi, dan kesusasteraan Cina. Para murid di sana juga didedahkan kepada terjemahan buku-buku barat dan oleh itu, Zhou mendapat tahu tentang kebebasan, demokrasi, serta revolusi-revolusi Amerika dan Perancis.

Pada tahun 1913 ketika berumur 15 tahun, Zhou tamat sekolah di Tung Guan dan kemudian pada bulan September dalam tahun yang sama, mendaftarkan diri di sekolah Nankai yang terletak di Tianjin. Selama empat tahun yang berikut, beliau merupakan seorang pelajar yang rajin di sekolah yang berprestij itu.

Pada sepanjang tempoh persekolahannya, China berada dalam keadaan kerusuhan yang teruk. Pada tahun 1911, Revolusi Xinhai yang dimulakan oleh Sun Yat-sen menggulingkan Dinasti Qing dan mengasaskan Republik China. Perang Agung di Eropah kemudian melegakan tekanan daripada para penceroboh Eropah, dan memberikan peluang kepada Jepun untuk menuntut penguasaan. Zhou sedar bahawa China telah dimusnahkan oleh campur tangan asing. Beliau berkongsi kemarahan dan bantahan terhadap keadaan pahit getir China.

Langkah yang berikut dalam pendidikan Zhou ialah untuk menyertai universiti di Tokyo. Cita-citanya adalah untuk menjadi seorang guru supaya dapat mempengaruhi para pemuda dan pemudi China. Bagaimanapun, beliau tidak dapat menumpukan perhatiannya dalam pembelajaran dan penguasaan bahasa Jepunnya juga lemah. Semasa masih di Nankai, beliau pernah menulis dan bersuara tentang tekanan-tekanan ketenteraan dan politik ke atas China, serta kemerosotan China ke arah keadaan huru-hara yang tidak dapat disekat. Beliau mencabar rakan-rakannya tentang apa yang boleh dibuat oleh generasi mereka untuk menyelamatkan China. Jawapan rakan-rakannya adalah untuk belajar dan berilmu dalam bidang sains dan profesion. "China memerlukan golongan elit, para doktor, jurutera, dan guru yang berilmu", kata mereka. "Tetapi untuk apa?" Zhou bertanya, "Jika China akan hilang, apakah kebergunaan pembelajaran?" Keputusannya untuk meninggalkan Jepun juga sebahagiannya dipengaruhi oleh Tung Kwang Hsien (Cina Mudah: 童冠贤，Cina Tradisional: 童冠賢), rakan sekolahnya di Nankai.

Pada awal bulan Mei 1919, Zhou meninggalkan Jepun dengan berat hati, tanpa menghabiskan pendidikannya. Beliau tiba di Tianjin pada 9 Mei, sempat untuk menyertai Gerakan 4 Mei 1919 yang penting.