Lonsdale ble født i Newbridge i Kildare i Irland. Hun hadde ni eldre søsken. Faren Harry Yardley var byens postmester; moren Jessie hadde pikenavnet Cameron. Familien flyttet til England da Kathleen var fem år gammel. Hun gikk på en ren jenteskole, Woodford County High School for Girls, og siden hun var særlig dyktig i matematikk og naturfag fikk hun begynne på gutteskolen Ilford County High School for Boys, ettersom det ikke fantes noen jenteskoler som tilbød undervisning i disse fagene på et nivå som svarte til hennes evner.