Ông tên thật là Phan Công Hậu, sinh ngày 12 tháng 12 năm Canh Ngọ (tức 9 tháng 1 năm 1751) ở làng Thu Hoạch, huyện Thiên Lộc, phủ Đức Quang, trấn Nghệ An (nay thuộc xã Thạch Châu, huyện Lộc Hà, tỉnh Hà Tĩnh).[3] Do kiêng húy của Tuyên phi Đặng Thị Huệ, về sau ông đổi tên là Huy Ích.

Ông là con trai đầu của Tiến sĩ Phan Huy Cận (hay Cẩn, về sau đổi thành Phan Huy Áng). Thuở nhỏ, ông sống và học tập tại làng Thu Hoạch, đến năm 20 tuổi, năm 1771, ông thi đỗ Giải nguyên tại trường thi Nghệ An. Trước đó, năm 1753, cha ông là Phan Huy Cận cũng đỗ Giải nguyên tại trường thi Hương này.

Sau khi đỗ Giải nguyên, ông được triều đình thu dụng và bổ nhiệm một chức quan nhỏ tại trấn Sơn Nam. Ông trở thành học trò của Ngô Thì Sĩ, được thầy mến tài và gả con gái cho.

Đỗ đầu khoa thi Hương trường Nghệ khoa Tân Mão (1771), ông được xem là một nhân tài đầy tiềm năng. Mãi đến năm 1773, Phan Huy Ích mới được bổ chức Tả mạc xứ Sơn Nam. Năm 1775, ông cùng người anh vợ là Ngô Thì Nhậm dự thi Hội ở Thăng Long và cùng đỗ Tiến sĩ, rồi sau đó đỗ chế khoa đồng tiến sĩ. Khoa này có 18 tiến sĩ, và Phan Huy Ích đỗ Hội nguyên Tiến sĩ, đứng đầu số đó. Trước đó, vào năm 1754, cha ông cũng từng đỗ Hội nguyên Tiến sĩ như thế.