Cecilia Helena Payne var et av tre barn født i Wendover i Buckinghamshire, England, av Emma Leonora Helena (født Pertz) og Edward John Payne, en advokat, historiker og musiker i London som hadde vært en stipendiat i Oxford. Moren hennes, Emma Leonora Helena Pertz, kom fra en preussisk familie og hadde to fremtredende onkler, historikeren Georg Heinrich Pertz og den swedenborgianistiske forfatteren James John Garth Wilkinson; hennes søster Florence var pianist. Faren til Cecilia Payne døde da hun var fire år gammel, noe som tvang moren til å oppdra familien alene.