Nacido el 12 de octubre de 1935 en las afueras de Módena, Luciano Pavarotti era hijo de Fernando Pavarotti (1912-2002), panadero y tenor aficionado, y Adele Venturi (1915-1999), trabajadora en una fábrica cigarrera. Su padre estimuló a Luciano para que empezara los estudios en el mundo del canto lírico. Aunque Luciano hablaba con cariño de su infancia, la realidad es que vivió ciertas penurias: su familia tenía escasos recursos económicos; sus cuatro miembros se apiñaban en un apartamento de dos cuartos. Según Luciano, su padre tenía una fina voz de tenor, pero rechazó la posibilidad de dedicarse a la carrera de cantante debido a sus nervios. La Segunda Guerra Mundial forzó a la familia a salir de la ciudad en 1943 y al año siguiente tuvieron que alquilar una habitación a un granjero en la campiña cercana, donde el joven Luciano desarrolló interés por la agricultura.
Después de abandonar el sueño de convertirse en portero de fútbol, Pavarotti pasó siete años en entrenamiento vocal. Sus primeras influencias musicales provinieron de las grabaciones que poseía su padre, la mayoría de tenores populares de la época como Beniamino Gigli, Giovanni Martinelli, Tito Schipa y Enrico Caruso. Sin embargo, el ídolo de Luciano era el tenor Giuseppe Di Stefano, y también estaba profundamente influenciado por Mario Lanza; dijo: «En mi adolescencia solía ver películas de Mario Lanza y luego volvía a casa a imitarlo en el espejo». Cerca de los nueve años, comenzó a cantar con su padre en el coro de una pequeña iglesia local. También en su juventud tomó algunas clases de canto con el profesor Dond y su esposa.
Después de lo que parece haber sido una infancia normal con un interés típico en los deportes, en su caso el fútbol sobre todo, se graduó de la Scuola Magistrale y enfrentó el dilema de una elección de carrera. Estaba interesado en seguir una carrera como portero profesional de fútbol, pero su madre lo convenció para que se formara como profesor. Posteriormente, enseñó en una escuela primaria durante dos años, pero finalmente permitió que su interés en la música ganara. Reconociendo el riesgo involucrado, su padre dio su consentimiento de mala gana.
Pavarotti comenzó el estudio serio de música en 1954 a la edad de 19 años con Arrigo Pola, un respetado maestro y tenor profesional en Módena que se ofreció a enseñarle sin remuneración. Según el director Richard Bonynge, Pavarotti nunca aprendió a leer música. En cambio, su segunda esposa, Nicoletta Mantovani, afirma que sí leía las partituras.
En 1955 experimentó su primer éxito como cantante cuando era miembro del Corale Rossini, un coro de voces masculinas de Módena que también incluía a su padre, que ganó el primer premio en el Eisteddfod Internacional en Llangollen, Gales. Más tarde dijo que esta fue la experiencia más importante de su vida y que lo inspiró a convertirse en cantante profesional. En esta época, Pavarotti conoció a Adua Veroni. Se casaron en 1961.
Cuando su maestro Arrigo Pola se mudó a Japón, Pavarotti se convirtió en estudiante de Ettore Campogalliani, quien en ese momento también estaba enseñando a la amiga de la infancia de Pavarotti, Mirella Freni, cuya madre trabajaba con la madre de Luciano en la fábrica de cigarros. Al igual que Pavarotti, Freni se convirtió en una exitosa cantante de ópera. Continuarían colaborando en varias representaciones teatrales y grabaciones juntos.
Durante sus años de estudio musical, Pavarotti tuvo trabajos de medio tiempo para mantenerse, primero como maestro de escuela primaria y luego como vendedor de seguros. Los primeros seis años de estudio dieron como resultado solo algunos recitales, todos en ciudades pequeñas y sin remuneración. Cuando un nódulo se desarrolló en sus cuerdas vocales, causando un concierto «desastroso» en Ferrara, decidió dejar de cantar. Pavarotti atribuyó su mejora inmediata a la liberación psicológica relacionada con esta decisión. Cualquiera sea la razón, el nódulo no solo desapareció sino que, como relató en su autobiografía: «Todo lo que aprendí se unió con mi voz natural para hacer que el sonido por el que había estado luchando fuera tan difícil».