Lettvin nasceu em 23 de fevereiro de 1920 em Chicago, o mais velho de quatro filhos (incluindo o pianista Theodore Lettvin) de Solomon e Fanny Lettvin, imigrantes judeus da Ucrânia. Depois de treinar como neurologista e psiquiatra na Universidade de Illinois (1943), ele praticou a medicina durante a Batalha de Bulge. Depois da guerra, ele continuou praticando neurologia e pesquisando sistemas nervosos, em parte no Boston City Hospital, e depois no MIT com Walter Pitts e Warren McCulloch sob supervisão de Norbert Wiener.