Jest pochodzenia angielskiego, portorykańskiego i włoskiego. Cara Santa Maria pracowała w wielu zawodach jako nastolatka, m.in. w sklepie z dopalaczami (ang. head shop), w piekarni, w pizzerii CiCi's Pizza, jak również w handlu detalicznym. W młodości zajmowała się także gimnastyką.
Po uczęszczaniu do Clark High School, w 2001 roku skończyła Plano East Senior High School. W szkole średniej była zaangażowana w pracę chóru, gdzie była członkiem zespołu Sound Invention, jak również w cheerleading, gdzie była przez jeden rok szkolny wybrana kapitanem. Poza tym była studentką IB i uczestniczyła w konkursach akademickich. Cara Santa Maria na początku rozpoczęła studia wyższe w kierunku śpiewu i jazzu; była na przesłuchaniu do drugiej serii programu American Idol, ale ostatecznie nie otrzymała biletu do Hollywood. W 2004 roku otrzymała na University of North Texas stopień Bachelor of Science z psychologii, drugim fakultetem była filozofia. W 2007 roku otrzymała tamże stopień Master of Science z biologii z nastawieniem na neuronaukę. Uczyła tam także na kursie biologii laboratoryjnej i pracowała w ośrodku badawczym Center for Network Neuroscience.