Phanxicô Xaviê Nguyễn Văn Thuận sinh ngày 17 tháng 4 năm 1928 tại Phủ Cam, Huế. Ông là anh cả trong một gia đình có 8 anh chị em, cha là ông Tađêô Nguyễn Văn Ấm qua đời vào ngày 1 tháng 7 năm 1993 tại Sydney, Australia, mẹ là bà Elizabeth Ngô Đình Thị Hiệp, em ruột của Giám mục Phêrô Máctinô Ngô Đình Thục và tổng thống Ngô Đình Diệm.[5] Đây là một gia đình có truyền thống Công giáo lâu đời, tổ tiên của ông từng chịu tử đạo vì tuyên xưng đức tin Công giáo.[6][7]

Từ khi còn nhỏ, Nguyễn Văn Thuận được giáo dục đức tin bởi người mẹ gương mẫu. Bà thường kể chuyện cho con trai về tổ tiên và các vị tử đạo Công giáo của Việt Nam.[5] Cậu bé Thuận tin tưởng Thánh Thể vì quan niệm đây là con đường để con người kết hiệp với Thiên Chúa.[8]