Mello werd geboren in New Haven, Connecticut op 18 oktober 1960. Hij was het derde kind van James en Sally Mello. Zijn vader, James Mello, was paleontoloog en zijn moeder, Sally Mello, was kunstenares. Zijn vaders ouders verhuisden van de Portugese eilanden Azoren naar de VS. Zijn ouders ontmoetten elkaar op de Brown University en waren de eerste kinderen in hun familie die naar de universiteit gingen. James Mello behaalde zijn doctoraat in de paleontologie aan Yale University in 1962. Het gezin Mello verhuisde naar Falls Church in het noorden van Virginia, zodat James een baan kon krijgen bij de United States Geological Survey (USGS) in Washington DC.
Na een korte tijd in Falls Church verhuisde het gezin naar Fairfax, Virginia, toen James Mello ging werken als assistent-directeur bij het Smithsonian Museum of Natural History. Enkele van zijn gelukkigste vroege herinneringen waren vakanties met zijn hele familie in Colorado, Wyoming en vaker naar de Blue Ridge Mountains in Virginia.
De familie Mello hield van lange gesprekken aan de eettafel en dit was erg belangrijk voor de jonge Craig Mello. Hij leerde discussiëren, luisteren en accepteren als hij ergens ongelijk in had. Mello's eerste jaren op de lagere school waren moeilijk. Hij was vijf jaar oud toen hij naar de eerste klas van een plaatselijke particuliere school ging. Hij was te jong om naar de eerste klas van het openbare systeem te gaan. Hij weet niet of hij een trage leerling was, of gewoon niet geïnteresseerd, maar hij deed het niet goed op school tot de zevende klas. In de tweede klas deed Mello alleen alsof hij kon lezen en hij schaamde zich ervoor door de leraar te worden aangesproken. Hij hield meer van buiten spelen, in het bos en de kreken, dan van tijd doorbrengen in de klas. In die tijd waren zijn oudere broers en zussen grote leerlingen, dus wilden zijn leraren dat hij het goed deed. Tijdens deze eerste jaren twijfelde Mello er niet aan dat hij later wetenschapper zou worden.
Onderwijs
Na zijn middelbare schooldiploma ging Mello naar Brown University, waar hij biochemie en moleculaire biologie studeerde. Na zijn studie op Brown ging Mello naar Boulder, Colorado voor meer studies, en vervolgens naar Harvard University. In 1990 promoveerde hij aan Harvard.