Kitty Linn O'Neil nació en Corpus Christi, Texas, el 24 de marzo de 1946. John O'Neil, su padre, era un oficial de las Fuerzas Aéreas del Ejército de los Estados Unidos, que siempre fue perforador independiente de pozos de petróleo; en tanto, su madre, Patsy Compton O'Neil, era de etnia cheroqui. Lamentablemente, a los cinco meses de edad, O'Neil contrajo simultáneamente varias enfermedades infantiles, por lo que fue​ perdiendo su audición. Después de que su sordera se hizo evidente a la edad de dos años, su madre le enseñó lectura de labios y a pronunciar sonidos, convirtiéndose en terapeuta del habla y cofundadora de una escuela para estudiantes con discapacidad auditiva en Wichita Falls. Siendo adolescente, Kitty O'Neil comenzó a competir en saltos desde la plataforma de 10 metros y de trampolín de tres metros, ganando los campeonatos de la Amateur Athletic Union; sin embargo, antes de las pruebas para los Juegos Olímpicos de Tokio 1964, se rompió la muñeca y contrajo meningitis y no participó. Después de recuperarse de la meningitis, perdió el interés por el salto de trampolín y se dirigió al esquí acuático, al buceo, al paracaidismo y al ala delta, afirmando que el salto de trampolín "no fue lo suficientemente aterrador".