Judith Chemla grandit à Gentilly, dans la petite couronne parisienne. Son père, d’origine juive tunisienne, est violoniste, et sa mère, de famille bourguignonne, avocate (après avoir souhaité être danseuse). Ses parents se séparent lorsqu’elle est jeune.
Elle commence le violon à 7 ans : elle en jouera jusqu'à l'âge de 14 ans. Elle découvre le théâtre au lycée, sous la houlette d'Emmanuel Demarcy-Mota.
Elle suit les cours de Bruno Wacrenier au Conservatoire du {{5e}} arrondissement, puis elle entre au Conservatoire, où elle rencontre Muriel Mayette, qui l’embauchera plus tard à la Comédie-Française.