Giáo sư Phạm Thiều sinh ngày 4 tháng 4 năm 1904, quê ở xã Diễn Phúc, huyện Diễn Châu, tỉnh Nghệ An. Cha của ông là cụ Phạm Thâm, đậu Cử nhân năm 1909, từng là Huấn đạo ở huyện Nam Đàn, tỉnh Nghệ An.

Từ nhỏ, ông theo học chữ Hán và được cha kèm cặp. Năm 1918, ông tham gia kỳ thi Hương cuối cùng tại Huế nhưng không đậu vì bị coi là phạm trường quy. Trở về quê, ông theo học trường College Vinh, sau đó đậu Primaire vào học Quốc học Huế. Tốt nghiệp Tú tài, ông thi đậu vào trường Cao đẳng Sư phạm Đông Dương, Hà Nội, ngành Văn học.[1]