Dzieciństwo i młodość spędził we Lwowie, w zamożnym domu. Od 1932 był uczniem II Państwowego Gimnazjum im. Karola Szajnochy we Lwowie, o czym pisał w autobiograficznej powieści Wysoki Zamek (1966). Według relacji samego Lema wyniki badań nad inteligencją uczniów przeprowadzone przez ówczesne władze oświatowe wykazały, że był najinteligentniejszym dzieckiem w południowej Polsce. Gimnazjum wywarło silny wpływ na zainteresowania Lema i ukształtowało go jako miłośnika nauki i przyszłego pisarza. Na początku lata 1939 złożył egzamin dojrzałości. Ulubionymi lekturami Lema były w tym czasie utwory Grabińskiego, Umińskiego, Verne’a i H.G. Wellsa. Pragnął studiować na politechnice i zostać uczonym. W rodzinie zwracano się do niego tzw. „domowym” imieniem – Maciek.

II wojna światowa Po agresji III Rzeszy i ZSRR na Polskę w okupowanym i zaanektowanym przez ZSRR Lwowie rozpoczął w 1940 studia medyczne na Wydziale Medycznym Uniwersytetu Lwowskiego, wydzielonym następnie w samodzielny Lwowski Instytut Medyczny. Wcześniej próbował zostać studentem Politechniki Lwowskiej, jednak mimo zdanego egzaminu nie został przyjęty na wymarzone studia ze względu na niewłaściwe w ustroju sowieckim pochodzenie społeczne – powiązania ze średnią burżuazją.