Phạm Trường Sơn sinh ngày 27 tháng 12 năm 1967 tại thị trấn Đức Thọ, huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh. Ông lớn lên và tốt nghiệp phổ thông ở Đức Thọ, vào tháng 7 năm 1985 thì nhập ngũ Quân đội nhân dân Việt Nam, vào Trường dự bị bay Không quân rồi đi học lái máy bay quân sự tại Krasnodar thuộc Liên Xô và tốt nghiệp vào tháng 10 năm 1988. Tháng 9 năm 2003, ông tới Học viện Phòng không – Không quân làm học viên đào tạo chỉ huy, tham mưu không quân cấp chiến thuật – chiến dịch cho đến tháng 7 năm 2006, tốt nghiệp Cử nhân Quân sự. Ông được kết nạp Đảng Cộng sản Việt Nam vào ngày 23 tháng 8 năm 1991, là đảng viên chính thức sau đó 1 năm, từng tham gia khóa chính trị tại Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh, nhận bằng Cao cấp lý luận chính trị. Hiện ông thường trú ở Phường 13, quận Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh.[1]