Ông sinh ngày 3 tháng 1 năm 1930 trong một gia đình khá giả tại Yên Bái, miền Bắc Việt Nam, là con trai trưởng. Cha ông là Nguyễn Xuân Nhiên. Mẹ ông là người Nam Định.[3]. Ông có nhiều em trai và em gái, tiểu biểu là tiến sĩ toán học Nguyễn Xuân Huy, kĩ sư Nguyễn Xuân Chúc (công tác và làm việc cho Việt Nam Dân chủ Cộng hòa), nhà thơ Nguyễn Thị Hoài Thanh... Năm 1950, ông tốt nghiệp Trung học Phổ thông 2 cấp chương trình Pháp tại Hà Nội với văn bằng Tú tài toàn phần (Part II).

Từ khi còn nhỏ ông đã là một người có năng khiếu toán. Ông tham gia viết sách từ rất sớm. Khi còn đang là học sinh, ông đã có sách được xuất bản với cuốn sách giáo khoa Bài tập hình học không gian. Cuốn sách đã trở thành tài liệu tham khảo và học vấn quan trọng thời bấy giờ.

Tháng 9 năm 1951, thi hành lệnh động viên của Quốc trưởng Bảo Đại, ông nhập ngũ vào Quân đội Quốc gia, được theo học tại trường Sĩ quan Trừ bị Nam Định, khai giảng ngày 1 tháng 10 cùng năm. Ngày 1 tháng 6 năm 1952, tốt nghiệp với cấp bậc Chuẩn úy và được phân bổ vào ngành Công binh. Cuối năm, ông xin chuyển sang ngành Không quân và được đi du học tại Học viện Không quân ở Salon-de-Provence, Pháp (École de l'Air). Đầu năm 1954, ông tốt nghiệp với bằng phi công 2 động cơ và bay phi cụ, đồng thời ông được thăng lên cấp Thiếu úy. Sau đó ông lưu trú và phục vụ chuyên ngành tại Pháp và Maroc. Trong thời gian này ông ghi danh học Đại học và thi đậu bằng Cử nhân toán ở Đại học Aix-Marseille.

Đầu năm 1955, khi Quân đội Pháp chính thức bàn giao cơ sở và trang thiết bị của ngành Không quân lại cho Quân đội Quốc gia, ông được lệnh trở về Việt Nam và được thăng cấp Trung úy, phục vụ trong Bộ tư lệnh Không quân. Cuối năm 1955, ông được thăng cấp Đại úy làm Trưởng phòng Nhân viên trong Bộ Tư lệnh Không quân, Tháng 10 năm 1956, sau khi Thủ tướng Ngô Đình Diệm lên làm Tổng thống của nền Đệ nhất Cộng hòa, ông được thăng cấp Thiếu tá làm Tham mưu phó tại Bộ tư lệnh Không quân. Ngày Quốc khánh 26 tháng 10 năm 1957, ông được thăng cấp Trung tá và được bổ nhiệm chức vụ Tham mưu trưởng Không quân do Đại tá Trần văn Hổ[4] làm Tư lệnh. Tháng 2 năm 1958 ông được bổ nhiệm chức vụ Tư lệnh Không quân, ngay sau đó được thăng cấp Đại tá tại nhiệm. Ngày 27 tháng 2 năm 1962, hai sĩ quan phi công là Phạm Phú Quốc[5] và Nguyễn Văn Cử[6] điều khiển 2 chiếc Khu trục cơ thả bom Dinh Độc lập, ông bị liên đới trách nhiệm nên Tổng thống Diệm đã cách chức Tư lệnh Không quân của ông. Cùng năm này, ông xin giải ngũ và đi du học ở Hoa Kỳ.[1] Ngay sau đó, Trung tá Huỳnh Hữu Hiền[7] thay thế ông làm Tư lệnh Không quân.