Julius Robert Mayer ble født den 25. november 1814 i Heilbronn, en liten by halvveis mellom Heidelberg og Stuttgart, som sønn av Christian Jakob og Katharina Elisabeth (født Heermann). Hans far eide et apotek med tilhørende laboratorium hvor Mayer og hans to brødre gjorde kjemieksperimenter. De tre brødrene hadde også tilgang til forskjellige apparater for å utføre fysikk- og kjemi-eksperimenter, i tillegg til botaniske samlinger, et utvalg av mineraler, medisinplanter og mange bøker. Som barn var han svært fascinert av alskens maskiner, og han prøvde å bygge en (evighetsmaskin). Både han selv og senere biografer har ment at hans barnelek med å bygge vannmøller og evighetsmaskiner ga han innsikt og inspirasjon til oppdagelser i voksen alder.