Fils aîné de James Mill, il est né dans la maison parentale à Pentonville, Londres. Il a été instruit par son père, sur les conseils et avec l'assistance de Jeremy Bentham et David Ricardo. Il lui a été donné une éducation extrêmement rigoureuse et il fut délibérément protégé de relations avec des enfants de son âge. Son père, adepte de Bentham et défenseur de l'associationnisme, avait pour but avoué d'en faire un génie qui pourrait poursuivre la cause de l'utilitarisme et de ses applications après sa mort et celle de Bentham.

Son intelligence et sa culture furent exceptionnellement précoces ; son père lui avait appris à l'âge de trois ans l'alphabet grec et une longue liste de mots grecs avec leurs équivalents en anglais. À huit ans, il avait lu les fables d'Ésope, l'Anabase de Xénophon, tout Hérodote, il était à l'aise avec Lucien de Samosate, Diogène, Isocrate et connaissait six dialogues de Platon. Il avait aussi lu une grande quantité d'ouvrages sur l'histoire.

Toujours à l'âge de huit ans, Mill commença le latin, étudia Euclide, l'algèbre et fut chargé de l'éducation des plus jeunes enfants de la famille. Ses principales lectures concernaient l'histoire, mais il lut tous les auteurs latins et grecs communément étudiés dans les collèges et les universités de l'époque. Il n'avait pas à composer en latin ou en grec et ne fut jamais un pur scolaire ; c'étaient des matières qu'il devait lire, et à dix ans il lisait Platon et Démosthène aisément. L'ouvrage de son père : Histoire des Indes, fut publié en 1818 ; immédiatement après, vers douze ans, John commença l'étude de la logique scolastique, tout en parcourant les traités de logique d'Aristote dans le texte. Les années suivantes, son père l'introduisit à l'économie politique par l'étude d'Adam Smith et de David Ricardo et, finalement, compléta sa vision économique avec l'étude des facteurs de production.

À vingt ans, il est victime d'une dépression liée probablement au surmenage. Cet épisode de sa vie l'amène à reconsidérer l'utilitarisme de Bentham et de son père : il en vient à penser que l'éducation utilitariste qu'il avait reçue, si elle avait fait de lui une exceptionnelle « machine à penser », l'avait dans le même mouvement coupée de son moi profond et avait presque tari en lui toute forme de sensibilité. Dès lors, il tente de concilier la rigueur scientifique et logique avec l'expression des émotions. Ce sont les oeuvres du poète Wordsworth qui, dans un premier temps, l'aident à développer une « culture des sentiments », à faire (re)surgir en lui la vitalité du cœur, et l'amènent à se rapprocher de la pensée romantique.

Sa charge de travail ne semble pas avoir handicapé Mill dans sa vie sentimentale : la famille qu'il forma avec sa femme, Harriet Taylor Mill, et sa belle-fille Helen Taylor, a été considérée par ses contemporains comme exceptionnellement réussie. Lui-même indique dans l'un de ses ouvrages que « ceux-ci ne sont pas le travail d'un esprit, mais de trois ». Notamment, il a décrit son essai De la liberté comme issu de la « conjonction » de l'esprit de sa femme Harriet, et du sien, et souligne dans des pages émouvantes de ses Mémoires combien l'amour qu'il lui portait se doublait d'une complicité intellectuelle intense