Ông quê làng Hành Thiện, tỉnh Nam Định, con một gia đình quyền thế: ông nội là Nguyễn Duy Hàn làm tuần phủ tỉnh Thái Bình, cha ông là Nguyễn Duy Nhạc từng làm làm tri phủ Quốc Oai, tỉnh Sơn Tây;[1] rồi án sát tỉnh Hà Nam.

Nguyễn Thế Truyền theo ông nội từ năm lên 7 tuổi, học ở trường Tiểu học Pháp Việt tại tỉnh lỵ Thái Bình. Năm học lớp 4 (1910) ông được gửi sang Pháp học theo Phó Công sứ tỉnh Thái Bình là Charles Marie Gaston Dupuy khi ông này về Pháp nghỉ phép. Tại Pháp, Nguyễn Thế Truyền làm học sinh nội trú tại trường Tư thục Parangon của Hội Alliance Francaise (tức Hội Pháp văn đồng minh, chuyên phổ biến ngôn ngữ và văn hóa Pháp khắp thế giới). Do thành tích xuất sắc, dẫn đầu lớp nên ông được chính phủ Đông Dương cấp học bổng mỗi năm 1200 francs, theo nghị định ngày 17/5/1913 của Toàn quyền Đông Dương. Cũng vào năm 1913, một trái tạc đạn của Việt Nam Quang phục Hội giết chết ông nội của ông là tuần phủ Nguyễn Duy Hàn.

Năm 1915, ông đậu bằng Brevet supérieur và trở về quê hương thăm nhà, khi ấy danh tiếng ông lẫy lừng khắp Bắc Kỳ vì đã đi du học Pháp và là một trong số ít người Việt Nam đầu tiên đậu bằng Brevet supérieur. Từ năm 1916 đến 1920, Nguyễn Thế Truyền học tại trường kỹ sư hóa học và trường Đại học khoa học ở Toulouse (Pháp), đồng thời ông cũng tự học để thi bằng Tú tài để sau có thể học thêm ở Đại học Văn khoa. Sau khi đậu bằng kỹ sư hóa học, cử nhân lý hóa, năm 1920, Nguyễn Thế Truyền về nước thăm gia đình và học chữ Hán từ cụ Nguyễn Hữu Cung (Cả Cung) là người làng từng đậu nhị trường. Năm 1921, ông Nguyễn Thế Truyền trở lại Pháp học ban tiến sĩ khoa học tại Đại học Sorbonne (Paris) và ghi danh học cử nhân văn khoa ban triết học tại trường này. Đến cuối năm 1922, ông đã đậu xong cử nhân triết học.