Hubel ble født i Windsor i Ontario til amerikanske foreldre i 1926. Hans farfar utvandret som barn til USA fra den bayerske byen Nördlingen. I 1929 flyttet hele familien hans til Montréal, der han tilbrakte sine formative år. Fra alderen 6 til 18 år, utdannet han seg ved Strathcona Academy i Outremont, Quebec. Senere studerte han matematikk og fysikk ved McGill University, og deretter gikk han på medisinsk skole der. I 1954 flyttet han til USA for å jobbe ved Johns Hopkins University School of Medicine som assistent innen nevrologi. Han tjenestegjorde senere i den amerikanske hæren og ble utstasjonert ved Walter Reed Hospital.