Somerville fikk lite formell utdannelse som barn. Senere fikk hun opplæring i det som ble ansett som passende for en ung kvinne, slik som kunstmaling og musikk. Fra ung alder viste hun også interesse for matematikk og astronomi. Dette studerte hun på egenhånd, tildels imot familiens ønsker. Hun ble gift første gang da hun var 24 år gammel, med Samuel Greig, som døde tre år senere. Etter dette oppnådde hun en viss sosial og økonomisk frihet. Hun benyttet denne til å studere videre med veiledning fra blant annet forskere ved University of Edinburgh. Hennes andre ektemann, William Somerville, oppmuntret og støttet henne i videre studier og forskning. Igjennom deres sosiale nettverk traff hun mange ledende europeiske forskere, og hun holdt kontakten med en rekke av dem ved hjelp av jevnlig brevveksling. Familien bodde i mange år i Chelsea i England. Senere flyttet de til Italia, hvor de ble boende livet ut.