伯内尔1943年出生于北爱尔兰城市贝尔法斯特的一个贵格派（Quaker）家庭。在一种宗教气氛浓郁而又思想开明的家庭氛围中，她的成长受到做建筑师的父亲的极大影响。伯内尔的父亲阅读爱好广泛，也经常从图书馆借出各种书籍带回家，这自然也影响了伯内尔的阅读趣味。

伯内尔在少年时期就展示出在科学方面的才华。14岁时的一天，她偶然看到父亲从图书馆借来的两本书，一本是弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的《天文学前沿》（Frontiers of Astronomy），另外一本是丹尼斯·夏玛（Dennis Sciama）的《统一的宇宙》（The Unity of the Universe）——两位剑桥大学天文学家撰写的关于天文学的科普书让伯内尔读得津津有味，也从此开始对天文学着迷。

尽管对天文学研究充满兴趣，但一开始伯内尔对于自己的科研能力并无太大信心，担心自己没法成为一个成功的天文学家，因此她在大学阶段选择进入格拉斯哥大学物理学专业学习，算是给自己留一条出路——如果在大学里的学习并不突出，自己还可以在毕业后凭着物理学学位找到工作。

伯内尔随后在博士研究阶段进入剑桥大学卡文迪许实验室，跟随英国著名天文学家安东尼·休伊什（Antony Hewish）从事天文学研究，她一生中最著名，也最有争议性的事件正是在博士研究阶段发生的。在1967年进行的天文学观测中，她首先发现了一种周期性的、酷似由外星生命发射的神秘射电信号，这个来自太空的信号被命名为“小绿人1号”（Little Green Man 1）。