Urodził się w rodzinie żydowskiej w Białymstoku, wtedy pozostającym na terytorium Imperium Rosyjskiego, przy ulicy Zielonej 6 (obecnie ulica Zamenhofa). Jego rodzicami byli Markus i Rozalia z domu Sofer. Miał dziesięcioro rodzeństwa: Fejglę, Gitlę, Sorę Dworę, Feliksa, Hersza, Henryka, Minę, Leona, Aleksandra i Idę. W domu mówiono w jidysz, a drugim językiem był rosyjski, lub (jak podają biografowie A. Zakrzewski, E. Wiesenfeld) polski. Dzieciństwo małego Ludwika upłynęło w środowisku wielonarodowościowej społeczności Białegostoku, złożonej głównie z Żydów, Polaków, Rosjan i Niemców. Mając 10 lat, napisał dramat Wieża Babel, czyli tragedia białostocka w pięciu aktach; uważał bowiem, że główną przyczyną nieporozumień i sporów między ludźmi jest bariera językowa. Jeden, wspólny język miał być jej rozwiązaniem.

W latach 1879-1881 studiował medycynę w Moskwie. Po zamachu na cara Aleksandra II w 1881, z powodu narastającego antysemityzmu wrócił do Warszawy, gdzie kontynuował studia (1881-1885). Specjalizował się w okulistyce w Wiedniu (1886).

Już w czasie nauki w gimnazjum w Warszawie Zamenhof stworzył pierwszą, prymitywną wersję swojego języka – "Lingwe Uniwersala" (1878). W ciągu kilku lat stworzył trzy kolejne wersje języka. Unikając błędnych założeń wcześniejszych projektów i opierając się na gruntownej znajomości wielu języków narodowych, w roku 1885 Zamenhof ukończył projekt języka międzynarodowego znanego w dzisiejszej formie.