芙蓉镇前垟村人，父亲是军人，母亲在芙蓉镇前垟小学任教。他小时候住在芙蓉镇，就读于芙蓉镇第一小学。14岁时，他随父母搬家到上海市，入沙泾中学（今虹口区教育学院附属中学）读书，后来到复旦大学附属中学读高中。1981年，他考入清华大学经济系（1984年成立经济管理学院）管理信息系统专业。1985年，方星海获得邹至庄经济学留学计划资助，是此计划该年仅有的两名本科生之一。1986年，他从清华大学毕业，进入美国匹兹堡大学学习。一年后申请到斯坦福大学的奖学金，转校攻读经济学博士，师从诺贝尔经济学奖获得者、时任美国总统经济