Ông sinh ngày 5 tháng 5 năm 1902, tại xã Tràng Thành (nay là Hoa Thành), huyện Yên Thành, tỉnh Nghệ An. Ông là con trai cả của cụ Phan Đăng Dư, một nhà nho yêu nước, và cụ bà Trần Thị Liễu, con gái cụ cử (cử nhân) Trần Danh Tiêu. Theo nhiều tài liệu, ông là hậu duệ đời thứ 15 của Mạc Mậu Giang, một hoàng tử nhà Mạc.[1][2] Sau khi nhà Mạc đổ, cụ Mạc Mậu Giang đưa con cháu vào Nghệ An lập nghiệp. Một người con là Mạc Huyền Nhai trở thành thủy tổ của dòng họ Phan Mạc ở Yên Thành, trong đó có dòng họ Phan Đăng.[3]