Phanxicô Xaviê Nguyễn Văn Thuận sinh ngày 17 tháng 4 năm 1928 thuộc khu vực giáo xứ Phủ Cam, Huế.[11] Ông là anh cả trong một gia đình có 8 anh chị em gồm 3 nam và 5 nữ.[12] Thân phụ làTađêô Nguyễn Văn Ấm (mất năm 1993) tại Sydney, Australia và thân mẫu là bà Elizabeth Ngô Đình Thị Hiệp (mất năm 2005), em ruột của Giám mục Phêrô Máctinô Ngô Đình Thục và tổng thống Ngô Đình Diệm.[13][14] 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[15][16] trong suốt giai đoạn từ năm 1698 đến năm 1885.[17]

Họ nội Nguyễn Văn Thuận có cụ cố là ông Nguyễn Văn Danh bị bắt làm nô lệ và sống trong thời kỳ truy bắt đạo Công giáo của vua Tự Đức. Con ông là ông Nguyễn Văn Vọng (ông nội Nguyễn Văn Thuận), hỗ trợ truyền giáo bằng đời sống hằng ngày với vợ là bà Tống Thị Tài, từng lập hai trường Bình Linh (Pellerin) và Thánh nữ Jeanne d’Arc lần lượt cho dòng nam Lasan và dòng nữ Thánh Phaolô thành Chartres.[7] Có nguồn tin ông nội Nguyễn Văn Thuận là ông Nguyễn Văn Diêu (vòn gọi là Bát Diêu).[18] Về phía họ ngoại. năm 1885, họ ngoại Nguyễn Văn Thuận có nhiều người đã bị thiêu chết trong giờ kinh nguyện do những người tìm bắt các tín đồ Công giáo châm lửa đốt. Do dòng họ không còn có con trai tế tự, chủng sinh Ngô Đình Khả đã nhận được đề nghị từ các giáo sư chủng viện Penang và trở về Việt Nam lập gia đình. Ông Khả từng giữ tước Phù Đạo Đại Thần, cố vấn cho vua các vấn đề Pháp văn và Triết học Tây phương. Do phản đối Pháp buộc vua thoái vị, ông từ quan về làm ruộng. Ông Khả là thân phụ bà Ngô Đình Thị Hiệp, thân mẫu Nguyễn Văn Thuận.[7]

Từ khi còn nhỏ, cậu bé Thuận được giáo dục đức tin bởi người mẹ gương mẫu. Thâhn mẫu và bà nội thường kể chuyện cho Nguyễn Văn Thuận về tổ tiên, các thánh Công giáo trong Kinh Thánh và các vị tử đạo Công giáo của Việt Nam.[19][20] Cậu bé Thuận tin tưởng Thánh Thể vì quan niệm đây là con đường để con người kết hiệp với Thiên Chúa.[21] Nhờ sự giáo dục tôn giáo từ nhỏ, cậu bé Thuận có mong muốn đi theo con đường tu trì từ rất sớm.[8]