Nguyễn Quang Anh sinh ngày 18 tháng 3 năm 2001 tại Thành phố Thanh Hóa trong một gia đình khá khó khăn[3]. Mẹ là Lê Thị Nghĩa, là một công nhân vệ sinh[4] Năm Quang Anh lên 5 tuổi, bố mẹ ly hôn, sau đó bố đi bước nữa. Mẹ phải khó khăn mưu sinh một mình nuôi 2 anh em ăn học[5].

Mẹ Quang Anh đã từng là một diễn viên chèo, anh trai là Nguyễn Quang Thắng (sinh năm 1992) cũng đang hoạt động trong đoàn chèo của tỉnh Thanh Hóa, Quang Anh thừa hưởng được niềm đam mê nghệ thuật từ mẹ và anh trai[6]. Từ năm 3 - 4 tuổi, cậu bé Quang Anh đã biết cầm mic hát Karaoke mặc dù chưa biết chữ[4].

Gia đình khó khăn nên Quang Anh không có điều kiện học tập và sinh hoạt trong các nhà văn hóa. Quang Anh đều tự mày mò học hát và được mẹ và anh trai chỉ bảo. Chỉ đến khi Quang Anh bắt đầu tham gia cuộc thi Giọng hát việt nhí, mẹ Quang Anh mới nhờ một cô giáo thanh nhạc là cô Phạm Hoàng Hiền dạy em một số bài hát để em đi thi[7].