Né à Colmar le 2 août 1834, fils de Jean Charles Bartholdi (1791-1836), conseiller de préfecture, et d’Augusta Charlotte, née Beysser (1801-1891), fille d'un maire de Ribeauvillé. Sur leurs quatre enfants, seuls l'aîné, Jean-Charles (avocat-éditeur, puis interné pour maladie), et le cadet, Auguste, survivront. À la mort prématurée de son père, la mère, de condition aisée, décide d'aller vivre à Paris, tout en conservant la maison familiale du 30 rue des marchands, qui abrite, depuis 1922, le musée Bartholdi, (après avoir été léguée à la ville en 1907).

Après le lycée Louis-le-Grand à Paris, Auguste Bartholdi obtient son baccalauréat en 1852. Il continuera d'étudier l'architecture à l'École nationale supérieure des beaux-arts, ainsi que la peinture sous la direction d'Ary Scheffer dans son atelier de la rue Chaptal (aujourd'hui Musée de la Vie romantique qui y conserve deux bronzes, La Gravure et L'Orfèvrerie). Il rapporte des photographies d'un long voyage mémorable en Égypte, avec ses amis Édouard-Auguste Imer, Jean-Léon Gérôme et Léon Belly

Il commence son activité d'architecte à Bordeaux, avec son premier monument, dédié au général Rapp, en 1856.

Pendant la guerre franco-prussienne de 1870, chef d'escadron des gardes nationales, il est aide de camp du général Giuseppe Garibaldi et agent de liaison du gouvernement, particulièrement chargé de s'occuper des besoins de l'armée des Vosges.

En 1871, à la demande d'Édouard Lefebvre de Laboulaye (dont Bartholdi a réalisé un buste en 1866) et de l'union franco-américaine, il effectue son premier voyage aux États-Unis pour sélectionner en personne le site où sera installée la Statue de la Liberté. Le projet ressemblera d'ailleurs beaucoup à un projet semblable qui aurait dû être installé à l'entrée du canal de Suez, si Ismaïl Pacha l'avait accepté en 1869.

Sa carrière prendra dès lors une ampleur internationale. Il devient un des sculpteurs les plus célèbres du XIXe siècle en Europe et en Amérique du Nord.