Lola Dewaere est la fille de l'acteur Patrick Dewaere et d'Élisabeth (dite Elsa) Malvina Chalier. Elle est la demi-sœur d'Angèle Herry-Leclerc (née en 1974), fille de Patrick Dewaere et de l'actrice Miou-Miou, adoptée par Julien Clerc en 1992.

Après le suicide de son père le 16 juillet 1982 à Paris, sa mère dut faire face aux services fiscaux en raison des dettes qu'il laissait, et confia Lola à ses propres parents, qui vivaient à Saint-Lambert-du-Lattay (Maine-et-Loire). Coluche proposa d'être le parrain de Lola lors de son baptême, mais ses grands-parents refusèrent.

Bien qu'intelligente, elle était souvent indisciplinée et rencontrait des difficultés à l'école. Elle développa certaines insécurités, notamment à cause de sa taille, des attentes élevées que ses grands-parents plaçaient en elle et des références fréquentes à son père. Elle retourna vivre avec sa mère à Paris au début de l'adolescence et poursuivit sa scolarité à l'école privée catholique Saint-Michel-de-Picpus à partir de la cinquième. Rebelle et refusant d'accepter l'autorité, elle fut expulsée. Durant cette période, tout ce qui concernait son père était un sujet tabou. Cependant, sa mère évoquait parfois son suicide en des termes que Lola décrit comme « très crus », disant qu'il s'était tiré une balle dans la bouche.

Vers l'âge de 16 ans, elle découvrit néanmoins plusieurs films de son père, dont *Coup de tête*, *La Meilleure Façon de marcher*, *Adieu poulet* et *Psy*, qu'elle apprécia. En 1997, à sa majorité, elle s'inscrivit au cours Florent pour se former comme actrice.