사회인 야구를 즐겨하던 부친의 권유에 의해 야구를 시작하게 된 김주원은 유신고등학교 2학년부터 팀의 주축 선수로 활약하며 선배들(소형준, 허윤동, 강현우)과 함께 팀의 2019년 황금사자기, 청룡기 석권에 일조했다. 청룡기에서는 수훈상을 수상하기도 했다.
고교 시절부터 핸들링과 송구, 타격폼과 스윙 모든 면에서 기본기가 잘 갖춰져 있다는 평가를 받았으며# 3학년때는 유신고의 3번타자로 맹활약했다. KT의 1차지명 후보로도 언급되었으나 장안고등학교신범준이 지명되었고, 따라서 아마야구 팬들이 KT의 2차 1라운드 지명이 유력할 것으로 예상했지만 KT가 대졸 권동진을 선택하면서 KT의 다음순번 지명권을 가진 NC 다이노스가 곧바로 김주원을 지명하게 된다.[1]
고교 시절 성적은 2학년 31경기 107타수 타율 0.280 출루율 0.384 장타율 0.439 4도루 12볼넷 16삼진, 3학년 18경기 64타수 타율 0.344 출루율 0.462 장타율 0.609[2] 6도루 9볼넷 5삼진. 고교야구 주말리그에서 장타력을 보여주었다.[3]
2022년 11월 자체 청백전 때 스카우트팀이 해설을 맡으면서 지명 전후 비하인드가 알려졌는데, 계약 당시 민동근 스카우트 팀장은 김주원 측과 신인계약을 진행할 때 '무언가 될 것 같다'는 좋은 느낌을 받아서 계약 후 상당히 기대를 많이 했다고 한다.[4]
[1] 훗날 김주원이 2022 시즌에 주전 유격수로 완전히 자리를 잡자 KT 팬들은 왜 김주원 안 뽑고 권동진을 뽑았냐며 KT 스카우트진을 비판하기도 했다.[2] 2루타 6개, 3루타 4개, 1홈런[3][고교야구 탑티어21] 유신고 김주원, 2차 1~2R 지명 유력[4] 부친이 교육을 상당히 꼼꼼하게 잘 시키셔서, 신인계약을 하러 온 김주원을 보자마자 눈빛만 보고도 '따로 잔소리가 필요하지 않겠다'는 생각이 들었다고 한다.