Ông tên thật là Lưu Văn Thi, sinh ngày 20 tháng 10 năm 1922 tại ngõ Mai Viên, đường Agent Blambay (nay là đường Trần Bình Trọng, phường Lương Khánh Thiện, quận Ngô Quyền), thành phố Hải Phòng, trong một gia đình dân nghèo thành thị yêu nước. Ông là con trai thứ hai của vợ chồng cụ Lưu Văn Ngữ (1892-1946) và Trịnh Thị Tạc (1897-1944). Cụ Lưu Văn Ngữ quê ở thôn Hạ, xã Lê Xá, tổng Đội Sơn, huyện Duy Tiên, phủ Lý Nhân, tỉnh Hà Nam (nay là thôn Lê Xá, xã Châu Sơn, thị xã Duy Tiên, tỉnh Hà Nam); là một người học Nho và là một đầu bếp giỏi ở Hải Phòng. Cụ là người có tư tưởng yêu nước, từng tham gia tổ chức đưa người sang Trung Quốc cho cụ Phan Bội Châu trong phong trào Đông Du. Gia đình cụ là cơ sở của nhà cách mạng Nguyễn Lương Bằng (sau là Phó Chủ tịch nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa) từ thập niên 1920. Năm 1927, cụ tham gia rải truyền đơn trong vụ người Việt và Hoa kiều đánh nhau ở Hải Phòng và, do đó, bị chính quyền thực dân Pháp bắt giam 6 tháng. Những năm 1936-1938, cụ tham gia phong trào mặt trận Bình dân, là sáng lập viên và là Ủy viên Ban trị sự Hội Ái hữu công nhân tư gia thành phố Hải Phòng.

Sớm ảnh hưởng tư tưởng yêu nước từ cha nên ngay từ khi còn là học sinh Trường Bonnal, Hoàng Thế Thiện đã tích cực tham gia vào các hoạt động yêu nước của phong trào Hướng đạo sinh thành phố Hải Phòng. Đầu năm 1940, ông tham gia Tiểu tổ bí mật do nhà cách mạng Vũ Quý phụ trách, tự động xây dựng lại cơ sở cách mạng bí mật tại thành phố Hải Phòng đã bị địch khủng bố tan rã trước đó. Ông tham gia hoạt động trong phong trào Truyền bá Quốc ngữ từ năm 1940 và được cử làm Ủy viên Ban Trị sự Hội Truyền bá quốc ngữ thành phố Hải Phòng.

Tháng 1 năm 1942, ông tham gia Đoàn Thanh niên Cứu quốc và được giao nhiệm vụ xây dựng Đoàn Thanh niên Cứu quốc của Việt Minh thành phố Hải Phòng, đồng thời phụ trách một cơ sở bí mật trong thanh niên, học sinh thành phố. Cuối năm 1942, do gia đình quá nghèo nên ông đã phải thôi học, làm gia sư rồi làm thư ký đánh máy công nhật ở Ngân hàng Đông Dương. Sau một đợt đấu tranh treo cờ, phân phát truyền đơn toàn thành phố Hải Phòng có kết quả vào cuối năm 1942, ông được giao nhiệm vụ chuẩn bị thành lập Đoàn Thanh niên Cứu quốc toàn thành phố và thống nhất đầu mối chỉ đạo.

Tháng 3 năm 1943, do có sự phản bội của một Việt gian được mật thám Pháp cài vào tổ chức, ông bị chính quyền thực dân Pháp bắt tại Ngân hàng Đông Dương và đưa ra xử tại tòa án binh Hà Nội. Ông bị kết án 5 năm tù khổ sai, bị giam tại nhà tù Hỏa Lò (Hà Nội), rồi bị đày lên nhà tù Sơn La. Trong tù, mặc dù bị tra tấn, đày ải nhưng ông không nhụt chí đấu tranh. Ông được kết nạp vào nhóm Trung Kiên ở Hỏa Lò và Hội Lao tù Cứu quốc ở Sơn La, được nhà cách mạng Trần Đăng Ninh trực tiếp huấn luyện về công tác bí mật và vận động quần chúng.

Tháng 3 năm 1945, ông vượt ngục tập thể trong nhóm của nhà cách mạng Trần Quốc Hoàn rồi về Thái Nguyên tiếp tục hoạt động cách mạng. Tháng 4 năm 1945, ông được kết nạp vào Đảng Cộng sản Đông Dương và được cử làm Đội trưởng Đội Vũ trang Tuyên truyền Cứu quốc quân huyện Vũ Nhai.

Tháng 8 năm 1945, ông tham gia cướp chính quyền tại thị xã Thái Nguyên. Trên cương vị là Đội trưởng Đội Vũ trang tuyên truyền Cứu quốc quân Vũ Nhai, ông đã lãnh đạo cuộc biểu tình trên 5.000 người tuần hành vũ trang thị uy tiến vào nội ô thị xã Thái Nguyên vào chiều ngày 19-08-1945, uy hiếp quân phát xít Nhật đóng ở đây, uy hiếp và làm tan rã chính quyền tay sai của Nhật, kêu gọi sự đầu hàng của lính bảo an. Lực lượng do ông dẫn đầu đã tiến vào thị xã Thái Nguyên trước ngày 20-08-1945 một ngày và tổ chức đón Giải quân phóng từ Tân Trào tiến vào bao vây đồn binh Nhật, đưa tối hậu thư và tước vũ khí của lính bảo an, tấn công quân Nhật… Trong tập hồi ức “Những chặng đường lịch sử” (Nhà xuất bản Chính trị quốc gia, 1994), Đại tướng Võ Nguyên Giáp đã viết: “Chúng tôi tới Thịnh Đán thì được tin có một đội tuyên truyền xung phong từ Võ Nhai tiến xuống hôm trước, đã đột nhập thị xã, tổ chức quần chúng tuần hành thị uy. Một đội dân quân của Phú Bình, Phổ Yên cũng đã vào thị xã lùng bắt một số tay chân của địch. Tình hình bảo an binh đang hết sức hoang mang”. Trong khởi nghĩa Thái Nguyên, cuộc biểu tình tuần hành thị uy của quần chúng trong ngày 19-08-1945 do ông lãnh đạo là bước thắng lợi có ý nghĩa quyết định đầu tiên. Việc Chủ tịch Hồ Chí Minh và Chính phủ lâm thời từ Tuyên Quang qua Thái Nguyên để về Hà Nội rất sớm và Giải phóng quân sớm về được Thủ đô cũng nói lên ý nghĩa quan trọng của khởi nghĩa thành công rất sớm ở Thái Nguyên [2].

Tháng 9 năm 1945, ông làm Thường vụ Tỉnh ủy - Chủ nhiệm Việt Minh tỉnh Thái Nguyên. Từ tháng 9 năm 1945 đến tháng 10 năm 1946, ông là người phụ trách công tác tuyên truyền và công tác vận động thanh niên (công tác thanh vận) của tỉnh Thái Nguyên. Ông được xác định là người lãnh đạo chủ chốt đầu tiên của tổ chức Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh tỉnh Thái Nguyên [3].

Tháng 10 năm 1946, ông làm Thường vụ Tỉnh ủy - Chủ nhiệm Việt Minh tỉnh Vĩnh Yên.