Frank Wilczek nació en Mineola (Nueva York) el 15 de mayo de 1951, Wilczek es de origen polaco e italiano. Sus abuelos eran inmigrantes, que "realmente trabajaban con sus manos", según Wilczek, pero el padre de Frank tomó clases en la escuela nocturna para educarse a sí mismo, trabajando como reparador para mantener a su familia. El padre de Wilczek se convirtió en un "ingeniero autodidacta", cuyos intereses en la tecnología y la ciencia inspiraron a su hijo.

Wilczek se educó en las escuelas públicas de Queens , asistiendo a la escuela secundaria Martin Van Buren. Fue por esta época cuando los padres de Wilczek se dieron cuenta de que era excepcional, en parte como resultado de que a Frank Wilczek se le había administrado una prueba de coeficiente intelectual.

Después de saltarse dos grados, Wilczek comenzó la escuela secundaria en el décimo grado, cuando tenía 13 años. Se sintió particularmente inspirado por dos de sus profesores de física de la escuela secundaria, uno de los cuales impartió un curso que ayudó a los estudiantes con la búsqueda nacional de talentos científicos de Westinghouse . Wilczek fue finalista en 1967 y finalmente ganó el cuarto lugar, basado en un proyecto matemático que involucra la teoría de grupos .