Ông sinh vào đêm 22 tháng 12 năm Giáp Dần, tức ngày 14 tháng 1 năm 1553, là người thôn Phù Lưu Trường, huyện Thiên Lộc, phủ Đức Quang, trấn Nghệ An (nay là xã Ích Hậu, huyện Lộc Hà, tỉnh Hà Tĩnh). Xuất thân trong một gia đình có tổ tiên từng nhiều đời đỗ đạt nhưng đến đời người cha Nguyễn Văn Củng, thì chỉ còn là một khóa sinh nghèo. Vốn có sức khỏe bẩm sinh, Nguyễn Văn Giai vừa làm đủ các nghề khó nhọc vừa theo học.