Serra nasceu no bairro da Mooca, em uma família de classe média baixa. Seu pai era um imigrante italiano casado com uma brasileira. Em 1960, ingressou no curso de engenharia civil na Universidade de São Paulo, passando, nessa mesma época, a atuar no movimento estudantil. Foi um dos fundadores da Ação Popular e presidente da União Nacional dos Estudantes. Serra não concluiu o curso pois teve que sair do país depois do golpe militar de 1964, devido à perseguição por sua militância política de esquerda. Refugiou-se em embaixadas de outros países e radicou-se no Chile, onde conheceu sua esposa, Mónica Serra, com quem teve dois filhos nascidos naquele país. Neste mesmo período estudou na Universidade do Chile. Ficou no país até o golpe militar de 1973, quando foi para os Estados Unidos, onde estudou na Universidade de Cornell.