Helmuth von Moltke chào đời tại thị trấn Parchim, Mecklenburg-Schwerin (bây giờ thuộc bang Mecklenburg-Vorpommern, trong một gia đình quý tộc, là con trai của Friedrich Philipp Victor von Moltke (1768 – 1845) và bà Sophie Henriette Paschen, con gái của một thương gia người Lübeck. Ông Friedrich von Moltke làm sĩ quan Trung đoàn Bộ binh số 25 Möllendorf từ năm 1786. Mặc dù ông mô tả những năm tháng phục vụ binh nghiệp của mình là "vô cùng hạnh phúc", Friedrich đã rời quân ngũ vào tháng 9 năm 1796 để cưới Henriette vào tháng 5 năm sau. Sau đó, Friedrich khởi đầu sự nghiệp của mình như một địa chủ nông dân. Ông đã mua một nông trang gần Wittstock, nơi ông sinh sống cùng gia đình mình, đến khi bán nông trang này và dời đến Parchim để sống với người anh, Helmuth, là một sĩ quan quân đội Phổ. Tại đây, người con thứ ba của Friedrich chào đời vào năm 1800 và được đặt theo tên của người bác, Helmuth. Năm 1801, Friedrich lại mua một điền trang ở Gnewitz và cư ngụ với gia đình ở đây cho đến năm 1803, khi ông bán điền trang này và dời đến Lübeck. Năm 1805, Friedrich mua điền trang Augustenhof tại tỉnh Holstein lân cận, nhưng do tình trạng xuống cấp của điền trang này, bà Heinriette và các con ở lại Lübeck đợi Friedrich xây ngôi nhà mới.[9][10]

Gia đình trở nên bần cùng trong cuộc Chiến tranh Liên minh thứ sáu, khi quân Pháp kéo vào Lübeck, đốt nhà của Friedrich ở thôn quê và cướp phá nhà ông ở thị trấn của Lübeck. Helmuth đã sinh trưởng trong hoàn cảnh rất khó khăn. Lên 9 tuổi, ông vào học nội trú ở Hohenfelde tại Holstein. Hoàn cảnh nghèo nàn của gia đình đã bắt buộc Moltke và các anh là Wilhelm và Friedrich "phải trở thành lính". Cũng chính cảnh sống khó khăn này đã định hình phong cách sống đạm bạc của Moltke – lối sống mà ông vẫn còn giữ ngay cả khi trở thành Thống chế và "vị tướng vĩ đại nhất trong lịch sử Phổ".[11] Năm 1811, nhằm định hướng con mình đến sự nghiệp phục vụ quân đội Đan Mạch, ông Friedrich gửi Helmuth vào học Trường Thiếu sinh quân tại Copenhagen.[9][12] Moltke từng mô tả ngôi trường quân sự này là "khắt khe, thậm chí khắc nghiệt".[13] Sau khi hoàn tất việc học tập của mình, Moltke được phong cấp hàm Thiếu úy vào ngày 20 tháng 1 năm 1818 và phục vụ trong Trung đoàn Bộ binh Oldenburg ở Rendsburg. Nhưng Moltke là người có tài năng và tham vọng to lớn. Nhận thấy quân đội Phổ sẽ đem lại cơ hội thăng tiến và lương bổng tốt hơn cho mình, sau khi phục vụ quân đội Đan Mạch được ba năm, ông xin và được chấp thuận gia nhập quân đội Phổ. Sau khi vượt qua các bài thi tuyển sĩ quan khó khăn (người ra đề là thống chế Gneisenau), ông trở thành thiếu úy trong Trung đoàn Bộ số 8, đóng đồn tại Frankfurt (Oder).[14][15]

Moltke thông hiểu nghệ thuật quân sự đến mức chỉ trong năm sau, ông đã vượt qua các kỳ kiểm tra chất lượng của Trường Chiến tranh Tổng hợp ở Berlin (Allgemeine Kriegsschule, sau này gọi là Học viện Quân sự Phổ – Kriegsakademie).[14] Tại đây, Moltke được mệnh danh là một "con chuột thư viện", ông học rất cần mẫn và giỏi ngoại ngữ (mẹ ông là một nhà ngôn ngữ học uyên bác).[15] Nhà lý luận quân sự nổi tiếng Karl von Clausewitz làm Hiệu trưởng nhà trường trong thời gian này.[5] Nhưng Moltke có lẽ chưa hề, hoặc là hiếm khi tiếp xúc với Clausewitz, do công việc của Clausewitz là quản lý chứ không phải giảng dạy. Clausewitz không thể gây ảnh hưởng đáng kể đến các học viên trong trường mặc dù ông rất muốn làm điều đó. Sau ba năm học, Moltke tốt nghiệp Trường Chiến tranh Tổng hợp vào năm 1826 với số điểm đứng đầu lớp.[11][14]