Nguyễn Hải Anh sinh ngày 14 tháng 10 năm 1967 tại xã Yên Thường, huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội. Ông lớn lên và tốt nghiệp phổ thông ở Gia Lâm, nhập ngũ Quân đội nhân dân Việt Nam vào tháng 9 năm 1984, là học viên Trường Sĩ quan Pháo Phòng không, nay là Học viện Phòng không – Không quân, rồi được gửi sang Cuba theo học Trường Sĩ quan Binh chủng hợp thành Tướng Antonio Maceo Grajales, tốt nghiệp tháng 7 năm 1988. Sau khi xuất ngũ, ông học đại học và có bằng Cử nhân ngôn ngữ Anh, học cao học rồi là nghiên cứu sinh ở Học viện Ngoại giao, bảo vệ thành công luận án tiến sĩ đề tài "Ngoại giao văn hóa trong quan hệ quốc tế đương đại", trở thành Tiến sĩ Quan hệ quốc tế vào năm 2015.[1] Ông được kết nạp Đảng Cộng sản Việt Nam vào ngày 26 tháng 6 năm 1991, trở thành đảng viên chính thức sau đó 1 năm, từng theo học các khóa chính trị ở Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh và tốt nghiệp Cử nhân lý luận chính trị. Hiện ông thường trú ở phường Ô Chợ Dừa, quận Đống Đa, thành phố Hà Nội.[2]