Hoàng Nhuận Thu sinh tháng 08 năm 1963, quê quán tại thành phố tỉnh lỵ Trường Sa, tỉnh Hồ Nam.

Ông lớn lên cùng gia đình tại quê nhà Hồ Nam thời trẻ. Tháng 09 năm 1979, khi 16 tuổi, ông tốt nghiệp cao trung (trung học phổ thông), thi đỗ và bắt đầu học ngành Kỹ thuật địa chất, Khoa Thủy văn tại Học viện Địa chất Thành Đô, trường nay được đổi tên thành Đại học Công nghệ Thành Đô (成都理工大学). Ông chuyển tới học và cư trú ở Thành Đô, cách quê nhà Trường Sa hơn 1.000 km.

Tháng 07 năm 1983, ông tốt nghiệp Cử nhân Kỹ thuật địa chất từ Học viện Địa chất Thành Đô. Sau đó, ông tiếp tục theo học lĩnh vực địa chất tại trường, theo học cao học Thạc sĩ Địa chất. Hai năm sau, vào tháng 02 năm 1986, ông nhận bằng Thạc sĩ Địa chất và bắt đầu là nghiên cứu sinh Tiến sĩ. Tháng 09 năm 1988, ông nhận bằng Tiến sĩ Kỹ thuật địa chất được cấp bởi Học viện Địa chất Thành Đô khi mới chỉ 25 tuổi.

Vào ngày 12 tháng 12 năm 1992, Hoàng Nhuận Thu được Hội đồng Giáo sư Trung Quốc bổ nhiệm làm học hàm Giáo sư, chuyên ngành Địa chất học và Sinh thái học. Lúc này, ông mới 29 tuổi, giáo sư trẻ tuổi.

Tháng 11 năm 1994, ông gia nhập Học xã Cửu Tam, đảng phái dân chủ của Cộng hoà nhân dân Trung Hoa.