Bùi Thế Duy sinh năm 1978, có quê quán tại thủ đô Hà Nội. Năm 1993, sau khi tốt nghiệp trung học cơ sở từ Trường Trung học cơ sở Bế Văn Đàn, Đống Đa, Hà Nội, ông trúng tuyển và theo học phổ thông chuyên Tin tại Khối Trung học phổ thông chuyên Toán – Tin của Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội, nay là bộ môn chuyên Toán, chuyên Tin của Trường Trung học phổ thông chuyên Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Trong giai đoạn học phổ thông chuyên Tin, ông hai lần liên tiếp giành giải Nhất Kỳ thi chọn học sinh giỏi quốc gia trung học phổ thông Việt Nam 1995 và 1996, đồng thời là thành viên của Đội tuyển Học sinh giỏi quốc gia tham dự Olympic Tin học Quốc tế (IOI). Tại hai kỳ Olympic là IOI 1995 ở Eindhoven, Hà Lan và IOI 1996 ở Veszprém, Hungary, ông đều giành Huy chương Đồng.[4]

Năm 1996, Bùi Thế Duy được tuyển thẳng vào Đại học Quốc gia Hà Nội với thành tích xuất sắc thời phổ thông. Năm 1998, Bùi Thế Duy nhận học bổng toàn phần Australian Aid từ Chính phủ Úc, sang thành phố Wollongong, New South Wales, Úc, du học tại Đại học Wollongong, tốt nghiệp Cử nhân Tin học vào năm 2001. Sau đó, ông tiếp tục theo học nghiên cứu sinh tại Khoa Kỹ thuật Điện, Toán học và Khoa học Máy tính, Đại học Twente ở thành phố Enschede, Overijssel, Hà Lan, bảo vệ thành công luận án tiến sĩ đề tài "Creating Emotions and Facial Expressions for Embodied Agents" và trở thành Tiến sĩ Tin học vào năm 2004.[5]