毛远新在童年时代有过一段悲惨的经历。

1941年1月，国民党发动“皖南事变”。2月14日，毛远新出生。当时国民党反动派的反共气焰十分嚣张，新疆督办盛世才亦撕毁与中共达成的统战协约，转向反共，将在新疆工作的许多共产党人逮捕，投入监狱。

1942年9月，在第一批被捕人员中就有毛泽民、朱旦华及毛远新。毛泽民被关进男牢，朱旦华和毛远新母子被关在女牢。

由于毛泽民是“重犯”，盛不准探监。当时毛远新才1岁多，以后就再也没有见到过父亲。1943年9月27日，毛泽民和陈潭秋、林基路等共产党人被秘密杀害，年仅2岁多的毛远新从此失去了亲生父亲。母亲带着他继续坐牢。

直到1946年7月，在党中央的营救下，毛远新才随母亲和其他难友回到延安。因其母亲在妇女工作委员会的工作十分繁忙，无暇照顾，毛远新被送入延安洛杉矶托儿所。后因国民党军队进逼延安，托儿所随撤离延安的部队转移。历经1年的艰辛，毛远新随托儿所转至河北省平山县西柏坡，就读于解放区的育英小学。之后，育英小学迁入北平，其母亲随军南下江西，毛远新被送至南昌上学。

自1951年夏起，毛远新就一直在毛泽东身边生活、读书。毛泽东出于对大弟毛泽民的怀念和照顾烈士遗属的责任，就把他留在身边抚养，待他像亲生儿子一般，他亦深受江青喜爱。

是年秋，毛远新重新进入育英小学就读，1954年秋毕业后，被保送到北京101中学读书，1957年秋进入高中学习。

1960年以优异成绩毕业后，毛远新报考大学，其志愿书及准考证均使用化名李实（此名为毛泽东所起），并以真实分数考入清华大学无线电系。次年寒假后转学入哈尔滨军事工程学院，就读于导弹工程系雷达专业。李实这个名字，后来成为他在哈军工上学的学名，一直沿用。

1964年到1965年，全国农村开展“四清”运动。大学生也被要求必须抽出一定时间参加农村“四清”，与农民同吃、同住、同劳动。1964年冬，毛远新作为应届毕业生，随全体毕业生去农村搞“四清”运动。

1965年暑假，毛远新大学毕业，被分配到云南一个偏僻的空军雷达基地担任技师。