Née le 6 décembre 1888 à Des Moines (Iowa) de Sabina Neumann et Joseph Hyman, un juif russo-polonais qui adopta ce nom en immigrant aux États-Unis, Libby Hyman entre à l’école publique de Fort Dodge (Iowa). Elle s’intéresse très vite à la lecture, notamment celle de Charles Dickens. Elle débute, à cette époque, une classification de fleurs, grâce à un exemplaire des Éléments de Botanique de Asa Gray, ainsi qu’une collection de papillons. Elle écrira plus tard que ses motivations étaient alors avant tout esthétiques.
En 1905, elle est la plus jeune diplômée et major de sa promotion, mais ne sachant que faire de son avenir, elle entre dans une usine d’étiquette pour boîte de céréales. En 1906, avec l’aide et le soutien de son professeur d’anglais et d’allemand, elle obtient une bourse d’un an et intègre finalement l'université de Chicago. Elle y poursuit ses études grâce à un emploi étudiant dans l’université. Elle se détourne alors de la botanique à cause d’un assistant de laboratoire et s’essaie à la chimie sans se faire aux procédures quantiques. En 1910, suivant les encouragements de son professeur, Charles Manning Child, elle intègre la spécialité en zoologie et rédige sa thèse. Elle gagne alors sa vie comme assistante de laboratoire dans différents cours de zoologie. En 1915, elle obtient son doctorat en zoologie avec une thèse sur la régénération de certains vers annélides. Elle intègre ensuite le laboratoire de recherches du professeur Child comme assistante et enseigne l’anatomie comparée.
Après la mort de son père en 1907, sa mère était venue vivre à Chicago où elle mourut en 1929. Libby écrit : « Je n’ai jamais reçu aucun encouragement de ma famille dans la poursuite de ma carrière universitaire ; en fait, ma volonté d’aller à l’université fut accueillie par des moqueries. À la maison, réprimandes et reproches étaient mon pain quotidien. »