Whitson creció en una granja en las afueras de la ciudad de Beaconsfield, Iowa con su hermana, Kathy y sus padres, Keith y Beth. Sus padres eran agricultores y su decisión de convertirse en astronauta se produjo después de ver el primer alunizaje en la televisión cuando era niña en 1969. Whitson se graduó de Mount Ayr Community High School en 1978 y recibió una licenciatura en ciencias en biología y química de Iowa. Wesleyan College en 1981. Luego obtuvo su doctorado en bioquímica de la Universidad de Rice en 1986, y luego de completar su trabajo de posgrado, continuó en Rice como Becaria Postdoctoral Robert A Welch hasta octubre de 1986. Está casada con Clarence F. Sams.