Сезар Мильштейн родился 8 октября 1927 года в Аргентине, в местечке Байя-Бланка, недалеко от Буэнос-Айреса. Закончил Университет Буэнос-Айреса и начал диссертацию по ферментативной кинетике. В 1958 году переехал в Великобританию в Кембриджский университет, чтобы продолжить диссертационную работу, которую защитил там же в 1960 году. Позже Мильштейн перешёл в Медицинский исследовательский совет в лабораторию Фредерика Сенгера.