Он был единственным сыном Чарльза Гилпена Лешли и Маргарет Бланш Спенсер. Его отец был торговцем, банкиром и представителем муниципальной власти. Его мать, происходившая из рода американского философа и просветителя Джонатана Эдвардса, до замужества работала школьной учительницей. Она страстно любила читать, и под ее влиянием у Лешли развилась ранняя склонность к чтению и учебе и непреходящая любовь к природе. Лешли также имел способности к механике и, будучи подростком, научился шить на материнской швейной машине и освоил столярное дело.
В период с 1894 по 1898 семья Лешли совершила ряд переездов, в конце концов добравшись до Сиэтла. В течение этого времени Карл, начиная с четырех лет, учился в различных общественных и частных школах. Из Сиэтла семья Лешли совершила путешествие на Аляску и в Клондайк в 1898 году во время золотой лихорадки. Для юного Лешли это был памятный опыт, и впоследствии он еще два раза предпринимал поездку в те места. К 1899 году семья Лешли возвратилась в Дэйвис, где Карл поступил в общественную среднюю школу, которую закончил в возрасте четырнадцати лет.
— «Моя подготовка была нетипичной для психологов. На выпускном курсе я специализировался в сравнительной гистологии; темой моей диссертации на степень магистра была бактериология, а темой докторской диссертации — генетика… Я избрал карьеру психолога только спустя два года после получения степени доктора философии. Я никогда не посещал курсов по физиологии или неврологии, то есть по предметам, составлявшим главный интерес в моей жизни».
Это Лешли написал в ответ на вопрос анкеты, касавшийся его профессиональной подготовки. Я опишу нетипичную подготовку Лешли более подробно и познакомлю читателя с людьми, оказавшими на него влияние.
Лешли поступил в университет штата Западная Виргиния в 1905 году и после подготовительного года (который потребовался, поскольку средняя школа в Дейвисе не имела аккредитации) начал занятия, необходимые для получения степени бакалавра. На первом курсе Лешли выбрал в качестве факультативного предмета основы биологии, которые преподавал специалист в сравнительной неврологии, Джон Блэк Джонстон.
Этот курс направил Лешли по пути карьеры в естественных науках. Позже он отмечал, что лекции по сравнительной анатомии явились единственной его подготовкой в области неврологии. Так что, в некотором смысле, Лешли был студентом Джонстона.
Когда Лешли окончил первый курс университета, Джонстон уехал из Западной Виргинии, и его место занял Альберт М. Риз. Риз принял Лешли, который в то время решил специализироваться в зоологии, ассистентом в свою лабораторию. В этой должности Лешли проработал 3 года, выполняя самую различную работу — от вываривания человеческих скелетов до проведения курса лабораторных занятий по неврологии. Он получал минимум инструкций от Риза при выполнении этих обязанностей и при проведении исследований для своей дипломной работы по гистологии пищеварительного тракта химеровых. Сотрудничество Лешли с Ризом, возможность заниматься самостоятельной работой и интенсивные занятия по зоологии, несомненно, сыграли свою роль, и Лешли был награжден аспирантской стипендией и направлен для изучения зоологии в аспирантуру Питтсбургского университета.
Курс биологии в Питтсбурге не пришелся Лешли по вкусу из-за того, что основной упор в нем делался на бактериологию. Тем не менее, Лешли получил степень магистра, представив диссертацию по бактериологии тухлых яиц. В Питтсбурге он познакомился с Карлом Далленбахом, преподавателем психологии. У Далленбаха Лешли прошел лабораторный курс экспериментальной психологии. Хотя похоже, что это было первое формальное соприкосновение Лешли с психологией, оно, скорее всего, не сыграло значительной роли в последующем переключении интересов Лешли на эту область, потому что курс Далленбаха был выдержан в небиологической традиции Вундта и Титченера.