汉郡文多尔出生，是埃琳娜·佩恩和三名子女的长女，一弟是考古学家。塞西莉亚的父亲在她四岁时去世，她由母亲抚养长大。她就读于圣保罗女子学校，接着于1919年获得奖学金进入剑桥大学纽纳姆学院学习物理学、化学和植物学。后来因为她听了亚瑟·爱丁顿讲述他到非洲拍摄日全食照片中太阳旁两颗星的位置以确定阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论演讲，激起对天文的兴趣。她在剑桥大学完成了学业，但当时女性无法获得学位。在和哈佛大学天文台台长哈罗·沙普利见面后，她于1923年前往美国攻读天文的研究所学位。她在美国得到鼓励女性在天文台研究