Он родился 31 августа 1874 г. в городке Вильямсбург, штат Массачусетс, в семье методистского священника. Семья вела аскетичный образ жизни, сыновей (их было трое) воспитывали в строгости, прививая им привычку к упорному труду и самоотверженному следованию нравственным заповедям. С современных позиций гуманистической педагогики такой стиль воспитания может показаться слишком суровым, однако его позитивные плоды налицо: все трое братьев Торндайк поступили в университет Уэсли и впоследствии стали крупными учеными.
В университете Торндайк прослушал курс психологии, основанный на учебнике англичанина Джеймса Салли «Очерки психологии». Особого интереса этот предмет у него не вызывал — до той поры, пока он по собственной инициативе не прочитал «Принципы психологии» У. Джемса. Воодушевленный идеями Джемса, Торндайк перевелся в Гарвардский университет и здесь прослушал его курс.
Собственные научные исследования он намеревался провести в сиротском приюте. Им был задуман и частично осуществлен интересный эксперимент. Экспериментатор мысленно представлял различные слова, объекты, числа. Сидящий против него ребенок должен был угадать, о каких вещах думает экспериментатор. В случае успеха ребенок получал конфету.
Схема опыта не была досужей игрой торндайковского ума. Она отражала новые веяния в психологии. В те годы представление о непосредственной связи мысли и слова стало общепризнанным. Слово является также и моторным актом. Из этого следовало, что в случае мышления «про себя» должны происходить почти незаметные изменения мышц речевого аппарата. Обычно они не осознаются самим субъектом и не воспринимаются окружающими. Но нельзя ли повысить чувствительность к ним других людей с целью «прочтения» речевых микродвижений, а тем самым и соответствующих мыслей? В качестве средства усиления чувствительности к этим микродвижениям Торндайк избрал такой рычаг, как заинтересованность в отгадке, создаваемая подкреплением. Вместе с тем он предполагал, что чувствительность в ходе опытов постепенно обостряется (впоследствии обучаемость восприятию была названа «перцептивным научением»).
Для схемы этих опытов молодого Торндайка существенно то, что, во-первых, исключалось обращение к сознанию (ведь реакции экспериментатора, а именно изменения в мышцах его лица при думаний «про себя», возникают непреднамеренно, и испытуемый, отгадывающий эти реакции, не знает, какими признаками он руководствуется, пытаясь их различить); во-вторых, исследовалось научение, приобретение опыта; в-третьих, вводился фактор положительного подкрепления. Все эти моменты определили в дальнейшем экспериментальные изыскания Торндайка. Опыты над детьми ему пришлось прервать: администрация университета их запретила по независящим от него причинам. Тогда Торндайк занялся опытами над животными. Он стал обучать цыплят навыкам прохождения лабиринта. Цыплят негде было держать, и Торндайк по предложению Джемса, который к нему явно благоволил, устроил импровизированную лабораторию в подвале его дома. Фактически это была первая в мире экспериментальная лаборатория экспериментальной зоопсихологии. Вскоре, захватив корзину с двумя дрессированными цыплятами, он переехал в Колумбийский университет к Дж. М. Кэттеллу — горячему приверженцу объективного метода в психологии. Здесь Торндайк продолжал исследования над кошками и собаками и изобрел специальный аппарат — «проблемный ящик», в который помещались подопытные животные. Попав в ящик, они могли из него выйти и получить подкормку лишь тогда, когда приводили в действие специальное устройство (нажимали на пружину, тянули за петлю и т. п.).