Crescut de mătuşa sa, Ion Iliescu a urmat primii ani de şcoală primară în oraşul natal, Oltenița, după care a urmat studiile secundare în Bucureşti, la Liceul Industrial-Polizu, Liceul „Spiru Haret” şi Colegiul „Sfântul Sava”. În această perioadă s-a numărat printre fondatorii Uniunii Asociaţiilor Elevilor din România (1948).

Ulterior, Iliescu este admis la Institutul Politehnic din Bucureşti (1950) unde studiază hidroenergia şi gospodărirea apelor. Faptul că mătuşa sa era menajeră în casa Anei Pauker, l-a ajutat să obţină sprijinul acesteia pentru a-şi continua studiile la Institutul Energetic din Moscova (1950 – 1954).

În timpul șederii sale la Moscova a fost secretar al „Asociației studenților români”. Se credea că îl cunoștea pe Mihail Gorbaciov, cu toate că atât Ion Iliescu cât și Gorbaciov au negat în repetate rânduri acest lucru.

Cu toate acestea, în 1990, în revista Paris Match s-a speculat că Nicolae Ceaușescu credea că ar fi existat o conexiune între cei doi, deoarece în timpul vizitei lui Gorbaciov în România din iulie 1989, Iliescu a fost trimis în afara Bucureștiului pentru a preveni orice contact între cei doi. Iliescu este căsătorit din 1951, dar nu au avut niciun copil pentru că soția sa a avut 3 pierderi de sarcină.

Ion Iliescu vorbește limbile română, engleză și rusă.