Californiano de nascimento que passou a juventude no Alaska, onde conseguiu reputação como jovem boxeur, Doolittle cursou a Universidade de Berkeley, que abandonou para se alistar como cadete voador na reserva do Corpo de Sinaleiros dos Estados Unidos, em 1917, durante a I Guerra Mundial, e trabalhou como caixeiro viajante para ajudar nas despesas.

Em 1918, após treinamento na Escola Militar da Aeronáutica da Universidade da Califórnia (UCLA) ele foi integrado, como segundo-tenente, ao grupo de aviadores do Corpo de Sinaleiros, tornando-se instrutor de vôo durante a guerra. Após o conflito, retornou a Berkeley, onde formou-se com o grau de bacharel em Artes.