Ada Yonath est née dans le quartier de Geula à Jérusalem après l'émigration en Palestine de ses parents originaires de Pologne pour des raisons politiques liées au sionisme. Son père était un rabbin et travaillait avec son épouse dans une épicerie du quartier. Après la mort de son père lorsqu'elle avait dix ans, sa mère, avec ses deux jeunes filles, part pour Tel Aviv pour travailler dans l'administration des impôts. Après son service militaire Ada Yonath commence des études de biophysique à l'Université hébraïque de Jérusalem, puis passe sa thèse en 1968 dans le domaine de la cristallographie à l'Institut Weizmann. Elle effectue un post-doc au Massachusetts Institute of Technology de Boston.
Elle retourne en Israël en 1970 pour fonder le premier laboratoire en Israël de cristallographie à l'Institut Weizmann et dirige en parallèle pendant 17 ans une unité du Max Planck Institute à Hambourg en Allemagne.