蓋茨在閱讀《大眾電子學》文章時的搖晃動作是他全神貫注思考的標誌，他從小就有這個習慣。蓋茨的父親是一位小有成就、性格溫和的律師，他回憶說：「蓋茨還是嬰兒的時候就喜歡在搖籃裡自己前後搖晃。」他最喜歡的玩具是一個帶彈簧的搖馬。5
蓋茨的母親出生於西雅圖顯赫的銀行世家，是一位備受尊敬的社區領袖，她是個堅持己見的人，但很快就發現兒子比她更執拗。她叫蓋茨從位於地下室的臥室（她已經不再勉強他打掃房間了）出來吃飯時，蓋茨常常不理睬她。有一次她問：「你到底在幹什麼？」
蓋茨衝她喊道：「我在思考。」
「你在思考？」
他回答說：「是的，媽媽，我在思考。你沒有嘗試過思考嗎？」
於是她帶蓋茨去看了心理醫生，這位醫生讓蓋茨對弗洛伊德產生了興趣，他如饑似渴地讀了許多關於弗洛伊德的書，但他桀驁不馴的態度卻絲毫沒有變化。經過一年的心理咨詢，這位醫生對蓋茨的母親說：「你認輸吧。你最好調整自己的心態，因為根本不能指望讓他聽你的話。」蓋茨的父親說：「她開始接受這個現實，承認跟蓋茨較勁是白費功夫。」6
不過，蓋茨雖然偶爾有些叛逆，但他卻很喜歡自己這個充滿愛意的親密家庭。他父母和兩個姐妹都愛在餐桌上熱火朝天地聊天，喜歡室內遊戲、猜謎和玩牌。由於蓋茨的大名叫威廉·蓋茨三世（William Gates Ⅲ），於是他愛打橋牌的祖母（還是籃球明星）便管他叫「特雷」（Trey，數字3的橋牌術語），這個名字成為他兒時的綽號。在暑期的大部分時間和一些週末，蓋茨一家會和親朋好友一起到西雅圖附近胡德運河邊的一些木屋裡小住，孩子們會參加「告別奧運會」，這個「告別奧運會」有正式的開幕式，會舉行火炬遊行，隨後進行二人三足賽跑、投擲雞蛋和類似的比賽。他父親回憶說：「比賽是相當嚴肅的。大家都很重視勝負。」7 蓋茨11歲時就是在這裡談成了他人生第一項正式合同；他與一個姐妹制定並簽署了一份協議，要求以5美元的代價獲得使用她棒球手套的非專屬但無限制權利。其中有一條規定是：「如果特雷想要棒球手套，就要把棒球手套給他。」8
蓋茨往往對團體性運動敬而遠之，但卻熱衷網球和滑水運動。他還努力鍛煉過一些有趣的把戲，比如從垃圾桶裡跳出來，而不碰到桶邊。他父親是鷹級童軍（一生都在踐行童軍準則中規定的12種美德），小比爾也積極參加童軍活動，他是「生命級」童軍，但還差三個徽章才能升為「鷹級」。他曾在一次童軍集會上給大家演示怎樣使用計算機，但當時童軍還不能憑計算機能力獲得徽章。9
儘管蓋茨參加了這麼多有益身心的活動，但他超高的智商、大大的眼鏡、細瘦的身材、尖細的嗓音和學究做派（襯衫扣子常常扣到脖子）還是讓他顯得呆氣十足。他的一位老師說：「在『nerd』（書獃子）這個詞還沒發明的時候，他就是個『nerd』了。」他對學業的專注是出了名的。四年級的時候，科學課老師佈置了一篇論文，要求寫5頁紙，結果他交了30頁。也就是在那一年，當學校要求他選擇未來職業時，他勾選了「科學家」一項。此外，蓋茨還贏得過一次在西雅圖太空針塔塔頂吃大餐的獎勵，因為他在家庭牧師舉辦的比賽中熟記並完美地背誦出《山上寶訓》（the Sermon on the Mount ）。10
1967年秋季，蓋茨剛滿12歲，但看上去仍像個9歲左右的孩子，他的父母意識到，還是讓他上一所私立學校比較好。他父親說：「蓋茨要上初中的時候，我們開始擔心他，他長得又小又害羞，需要有更多保護，他的興趣也和一般的六年級學生很不一樣。」11 他們選擇了湖濱中學，這所學校的校園裡滿是老式磚石建築，看起來就像新英格蘭的預科學校一樣，主要面向西雅圖商業和專業精英家庭的孩子。當時湖濱中學只招收男生，但很快也開始招收女生了。
進入湖濱中學幾個月之後，學校科學和數學樓底層一個小房間裡新安裝的計算機終端便徹底改變了蓋茨的生活。這其實並不是一台真正的計算機，而是一台通過電話線與通用電氣馬克二號分時計算機系統相連接的電傳打字機終端。湖濱中學母親俱樂部通過義賣籌集到3 000美元，她們以每分鐘4.80美元的價格購買了該系統一段時長的使用權。後來的事實證明，她們太低估這個新玩意的熱門程度和燒錢程度了。當蓋茨的七年級數學老師給他演示這台計算機後，蓋茨立馬就迷上了。這位老師回憶說：「第一天我比他懂得多，但也就僅限於第一天。」12
蓋茨開始和一幫同為鐵桿計算機迷的朋友一起去計算機房，他們天天去，一有機會就去。蓋茨還記得：「當時我們一頭扎進了自己的世界。」這台計算機終端對他來說就像小愛因斯坦的玩具指南針一樣：這個充滿魔力的東西激起了他最深、最強烈的好奇心。蓋茨後來搜腸刮肚地想找合適的說法來解釋他熱愛計算機的哪方面，他說，他喜歡計算機的嚴密邏輯中蘊含的簡潔之美，這種美恰好與他在自己思維中培育出的審美相契合。他說：「在使用計算機時，你是不能含糊其辭的，而只能使用精確的語句。」13
這台計算機使用的語言叫BASIC（Beginner』s All-purpose Symbolic Instruction Code，「初學者通用符號指令代碼」），這是一種幾年前由達特茅斯學院開發的語言，旨在讓不具備工程專業知識的人也能寫出程序。湖濱中學沒有老師懂BASIC，但蓋茨和他的朋友們啃下42頁的使用手冊後便無師自通了。他們很快開始自學Fortran和COBOL等更複雜的語言，但BASIC仍是蓋茨的最愛。蓋茨在中學時代就編寫出了能玩井字棋和轉換底數的程序。
保羅·艾倫比蓋茨高兩個年級，身體發育得遠比蓋茨成熟（他甚至能留鬢角），兩人是在湖濱中學的計算機房裡結識的。高大、合群的艾倫並不是那種典型的書獃子。一見到蓋茨，艾倫立馬就對他產生了興趣，而且被他吸引住了。艾倫回憶說：「我看到一個瘦瘦長長、滿臉雀斑的八年級學生擺動四肢，緊張兮兮地擠進圍在電傳打字機旁邊的人群，他的金色頭髮掉得到處都是。」從此，這兩個男孩成了好朋友，他們經常在計算機房裡待到很晚。艾倫說：「蓋茨非常爭強好勝，他想讓你看到他有多聰明。而且他非常非常執著。」14
艾倫出生在一個比較普通的家庭（他父親是華盛頓大學的圖書館館員），有一次，他到蓋茨家玩的時候不由心生敬畏。他說：「他父母訂了《財富》雜誌，比爾會虔誠地閱讀這份雜誌。」當蓋茨問他對經營一家大公司有什麼看法時，艾倫說，他完全沒有頭緒。蓋茨宣稱：「有一天我們也許會有自己的公司。」15
兩人之間的一大差別是注意力集中方式不同。艾倫的思維會在許多想法和愛好之間不斷變換，而蓋茨則一次只專注於一件事。艾倫說：「我對眼前的所有東西都感到好奇，都想研究研究，但比爾一次只全身心地投入一項任務。看看他編程時的樣子你就知道了——他坐在那兒，嘴裡叼著一支記號筆，雙腳踢踏地面，前後搖擺身體，完全不受外界干擾。」16
從表面上看，蓋茨是個書獃子加搗蛋鬼。他咄咄逼人，即使對老師也不例外，他生氣時會大發脾氣。他是個天才，也知道自己是天才，還喜歡炫耀。無論是對同班同學還是對老師，他都會不客氣地說「這很愚蠢」，甚至把侮辱升級為「這是我聽過的最蠢的事」或「徹底的腦殘」。有一次，他曾嘲笑班裡一個同學算東西太慢，結果蓋茨前排一個在班上很有威信的孩子轉過身來，抓住他緊扣的衣領，威脅說要揍他。老師不得不出面干預。
但在瞭解他的人眼中，蓋茨卻不僅僅是「呆」和搗蛋。蓋茨是個專注、才思敏捷的人，而且富有幽默感，愛探險，喜歡挑戰體能極限，還喜歡組織活動。16歲的時候，蓋茨得到了一輛新的紅色野馬汽車（在40多年後的今天，他還在別墅的車庫裡保留著這輛汽車），他會和朋友一起出去飆車。他還會把朋友帶到他家位於胡德運河邊的私人領地上玩，他會跟在一艘快艇後面，沿著長達1 000英尺的水道玩風箏滑水。他曾在一次學生表演中背誦詹姆斯·瑟伯（James Thurber）的經典短篇《床塌下來的那個夜晚》（The Night the Bed Fell ），他還登台表演過彼得·謝弗（Peter Shaffor）的作品《黑色喜劇》（Black Comedy ）。大約就在這個時期，他開始一本正經地告訴別人他會在自己30歲之前賺到100萬美元。事實證明他嚴重低估了自己；到30歲時，他的身價會達到3.5億美元。