Giám mục Nguyễn Thanh Hoan sinh ngày 11 tháng 11 năm 1932 (tài liệu Tòa Thánh cho rằng năm sinh là 1939)[5] tại Giáo xứ Phi Lộc, Giáo phận Vinh[6] (thuộc xã Diễn Quảng, huyện Diễn Châu, tỉnh Nghệ An), là người con thứ tám trong gia đình gồm 9 anh em trai. Song thân của ông là ông Phaolô Nguyễn Bá Linh và bà Maria Vũ Thị Ða.[3]

Ngày 13 tháng 8 năm 1944, gia đình đưa cậu bé Hoan đi nhập học tại trường Tập Xuân Phong. Ba năm sau đó, tháng 8 năm 1948, Nguyễn Thanh Hoan nhập học tại Tiểu chủng viện Xã Ðoài.[3] Sau đó, cậu được chuyển vào học tại Tiểu chủng viện Di cư vào năm 1954.[7] Sau quá trình học tập, từ năm 1957 đến năm 1959, ông giảng dạy tại Tiểu chủng viện Thánh Phêrô Nguyễn Khắc Tự, Thủ Ðức (Chủng viện Vinh di cư). Sau đó, tháng 8 năm 1959, chủng sinh Nguyễn Thanh Hoan tiếp tục con đường tu học bằng việc nhập học tại Ðại chủng viện Xuân Bích Thị Nghè (Sài Gòn), Huế, Vĩnh Long.[3]