1849年10月4日（清道光二十九年，农历八月十八日），邓世昌出生于广东番禺县龙导尾乡（今广州海珠区龙导尾街）的富裕人家。其父邓焕庄，专营茶叶生意，尝于广州及津、沪、汉、香港、秦皇岛等地开设祥发源茶庄，并始建邓氏家祠。因邓焕庄与妻子郭氏饱受世道黑暗和战乱之苦，殷切盼望邓氏家业昌盛，就给他们的独生子起名为邓永昌。然而，家业兴旺谈何容易，离不开时势和国运的大环境，故知情达理的邓焕庄又将其子改名为邓世昌，字正卿。
1857年（清咸丰七年），时值法国人借口“马神甫事件”，出兵助英，再攻广州，不日城陷。而此时邓家之茶业，自是饱受战火之累，甚不景气。邓焕庄思来想去，欲往沪上一走，投奔亲友，再起商号，拓展茶业。邓焕庄自由随父营商，广涉茶道，颇得其法，入沪并未多日，便将一小茶行有模有样地张罗起来。此时，上海亦成为通商口岸，遭受外夷侵扰，只比广州平和些许。然其城甚大，人口繁多，仍不失行商佳境。邓焕庄如鱼得水，生意做得红红火火，声名日旺。至清同治年间，已挣下不菲的一份家业，根深柢固，稳居沪上。
邓世昌从小资质聪颖，勤奋好学，在家乡以优异成绩学完小学学业。邓焕庄觉得，为长孩儿治家理业之能，无论将来让儿子继承自己的事业，还是从事别的事业，都必须学习洋文，进而学习外国先进科学知识。于是，邓焕庄携其子邓世昌至上海，师从欧人，学习英文外学，并先让他进了教会学校，师从欧人学习英语、算术，以利商用。这在把英语当做“蛮夷之语”的当时来说，是惊世骇俗的。邓世昌天资聪慧，且有好学，到了上海之后，接受新知识能力很强，学业上进步极快，11岁时（1860年，清咸丰十年）在很短时间内，就能与洋师对话，并能阅读英美原版书籍。洋师对他赞赏有加，十分喜欢这个聪明伶俐的学生。
然而，邓世昌所思却非其父所望也。他习外学并非为家之商用，而实为立志报国之需！闻睹国人国土受洋人欺占，皆因洋人恃其技艺之高、器具之优而为，若能学其长，取其精，强中华之国力，则外夷实难犯矣。每当学业之余，邓世昌仍不忘练功习武，强健体魄，又喜书法字艺，时时习练之。邓世昌性情日渐沉毅，善思多虑，时为国家担忧。及至沪上，游览浦江，见江上外舰游弋自如，毫无拘束，乃忧心忡忡道：“中外如此通商，任由外舰进出，久而久之，我关隘要塞，尽为其熟。若我不以西法设置海军，强固海防，一旦外夷寻衅肇事，何以御之？”同游者闻言，无不赞叹邓世昌襟怀之广。
1867年6月（清同治六年），林则徐女婿、前江西巡抚沈葆桢，受命危急，总理船政。是时，中国屡遭外夷海上之欺，清廷有意壮大海防，以御外寇。闽浙总督左宗棠，见机行事，于1866年（清同治五年）创办福州船政局，以修造舰船为业，设址福建马尾，因而亦称为马尾船政局。其委法国人为监督，并聘用法国技师和工头。第二年，沈葆桢总理船政，深知海防人才之重要，深知制造轮船须培养造船人才，遂增设船政学堂，开办制造学堂（前学堂），因法国长于制造，故应用法文教学。同时，沈葆桢知晓要驾驶轮船须培养驾驶人才，随即开办驾驶管轮学堂（后学堂），因英国长于驾驶，故应用英文教学。同时，拟招闽粤两地聪慧少年入学，寄以栋梁之望。
这两个学堂与船厂同时兴办，并开始招生，生源主要为福建本地资质聪颖、粗通文字的16岁以下学生。所招学生，自是福建省本地人罗丰禄、何心川、蒋超英、刘步蟾、叶伯鋆、方伯谦、林同书、郑文成、林泰曾、李达璋、严复、沈有恒、邱宝仁、陈毓淞、林永升、叶祖珪、陈锦荣、黄煊、许寿山、林承谟、柴卓群、郑溥泉、黄建勋。
后学堂由于生源不足，招生一直扩展到广东、香港一带，并将年龄要求放宽到20岁以上。此时，邓世昌恰回广东老家小住，其年龄虽然仅有十七八岁，却少年老诚，目睹山河破败之状，深感哀痛，挥毫作诗曰：
南楼高耸入云霄，四面江山壮观吟。
傍晚一城空寥廓，炊烟浓处几家人？
邓世昌得知此消息后立即禀告父亲，要求报考，开明的父亲毫不犹豫地答应了他的请求。邓世昌少年时就聪颖好学，“有干略”。当时18岁（1867年，清同治六年）的邓世昌，怀着救国的志愿，回到广州，参加考试，以各门课程考核皆优的成绩考入福州船政学堂学习航海，成为该学堂驾驶班第一届学生。
邓世昌考取船政学堂后，进入后学堂，专习航海驾驶技术。学堂设有英语、天文、地理、数学、驾驶、绘图、声学、光学、热学、化学、水重学、电磁学、动静力学等十余种科目。
教习多为英法等国洋员。其实，清廷屡遭败仗，亦逐渐悟出其中之道，以为是缺少坚船利炮，加之清军的装备、技术不如西方的军队。恭亲王奕忻曾说：“治国之道，在乎自强，而审时度势，则自强以练兵为要，练兵又以制器为先。”北洋大臣李鸿章则说：“取外人之长技，以成中国之长技。”如是之理，清廷聘用洋员教习，自在情理之中。
邓世昌虽然对洋人反感，但他深知其技之长，国人实难相比，欲制之则须先师之，故而埋头学习，以强自身。凡习航海驾驶技术者，需首学英文。轮船中所问所答，所记所载，皆需英文。而邓世昌此前虽有所学，却远不足后用，故而深学英文。海程万里，茫茫无际，难辨方位。西人航海能测天度知海程向位，因学天文。礁石沙线，海水深浅，潮汐涨落，皆与地理有关，于是他苦学地理。测天度，测海程，操用机器等科目，尽需通晓数学，于是邓世昌又深习数学。水力之刚柔，风力之轻重，火力之强弱，行船之速率，皆有其理，邓世昌乃熟习驾驶理论与技术。航海需要绘图，以备后用，他又学绘图。如此种种，邓世昌尽学尽优，业绩甚佳。
首届学生中学业优秀者，除邓世昌、林永升外，还有侯官学生刘步蟾、叶祖珪、邱宝仁，闽县学生林泰曾，永福学生黄建勋等人。
船政学堂第一次招考学生后，又从广东招来已学过英语，并且基础较好的学生叶富、吕瀚、李和、张成、李田、黎家本、林国祥、梁梓芳、卓关略等十余人。此时，参加报考的学生，家境贫寒之生占大多数，其次是受到外国影响的家庭和商人子弟、外国学堂学生。报名者必须将三代名讳、职业、保举人功名经历填写保结，并要取其父兄及本人的保结。
光阴若流水，转眼两年过去。首批学生，大多学业优异，品行端正，深受教习官长褒扬。尤其是邓世昌，因其年长同学三四岁，知情达理，严以律己，不啻学业刻苦，且事事表率于诸生，实为师生称赞，乃至沈葆桢亦颇为器重。
福州船政学堂在沈葆桢的督办下，治学有方，颇见成效，深受清廷器重，船局、学堂皆日益盛旺。及至1871年（清同治十年），福州船政学堂首届学生毕业，登船实习。是时邓世昌经过5年堂课学习，与刘步蟾、林泰曾、叶祖珪、方伯谦、林永升、邱宝仁、严宗光、黄建勋、李和、李国祥等数十人，被派往“建威”舰教习练船，实习航海驾驶，随船巡历南洋各岛。数载苦读，经年寒窗，一朝得用，诸生无不欢欣，各个尽其所学，倾心操作，唯恐不及他人。邓世昌年长品佳，学业甚优，学且善用，其驾驶之伶俐，神态之从容，测算之精准，均颇得教习褒扬。
