Ông sinh ngày 10 tháng 2 năm Quý Dậu (tức 8 tháng 3 năm 1873), tại làng Phong Thử, tổng Đa Hòa, huyện Diên Phước, phủ Điện Bàn (nay thuộc xã Điện Thọ, huyện Điện Bàn), tỉnh Quảng Nam. Nguyên gốc thủy tổ là người Hoan Châu, giữa thế kỷ XVI vào Quảng Nam để khai hoang lập nghiệp, trải qua hơn 300 năm thì đến đời của ông.

Nguyên tên ông là Phan Văn Thiện, sau đổi ra Phan Thúc Duyện, hiệu Mi Sanh. Các đồng chí của ông thường gọi Phan Diện, nhân dân thì gọi cử Diện hoặc cử Phong Thử. Trong danh sách thi đỗ cử nhân ghi Phan Thúc Diễn. Sách Quốc triều Hương Khoa lục của Cao Xuân Dục chép tên ông phiên âm ra thành Phan Sung và quê ông là Phong Thiệm[1]. Theo nhà nghiên cứu Trần Viết Ngạc thì đây là sự nhầm lẫn bởi Diện hay Diễn là do phát âm sai chữ Duyện, cũng như chữ Duyện [兗] và chữ Sung [充] cũng như chữ Thử và chữ Thiệm có tự dạng gần giống nhau nên dễ lầm.[2]

Song thân ông là ông Phan Trọng Đạt và bà Phan Thị Thuận, đều trong gia đình nông dân. Mặc dù vậy, ông vẫn được ăn học tử tế.