Tên đầy đủ của ông là Nguyễn Đức Từ Chi, sinh ngày 17 tháng 12 năm 1925 tại Đồng Hới, Quảng Bình, thuộc dòng họ Nguyễn Đức ở xã Ích Hậu, huyện Can Lộc nay là huyện Lộc Hà, tỉnh Hà Tĩnh, là một dòng họ Nho học nổi tiếng. Ông nội ông là Nguyễn Hiệt Chi, một sĩ phu Duy Tân, đồng sáng lập ra Công ty Liên Thành và Trường Dục Thanh ở Phan Thiết. Người em ông nội là Nguyễn Hàng Chi, cũng là một chí sĩ Duy Tân, cầm đầu phong trào chống thuế ở Nghệ Tĩnh và bị chính quyền thực dân Pháp xử chém năm 1908. Bố ông là Bác sĩ Nguyễn Kinh Chi (nguyên Thứ trưởng Bộ Y tế thời kháng chiến chống Pháp và Đại biểu Quốc hội khóa I-IV). Chú ruột là nhà nghiên cứu văn hóa dân gian, Giáo sư Nguyễn Đổng Chi.