Bà sinh 4 tháng 8 năm 1918 tại Chợ Lớn (nay thuộc Thành phố Hồ Chí Minh) trong một gia đình giàu có, theo Công giáo; có 7 anh chị em. Chị gái là Thái Thị Lang, nhà soạn nhạc nữ đầu tiên của Việt Nam, nghệ sĩ piano Việt Nam đầu tiên tốt nghiệp Nhạc viện Paris và từng lưu diễn khắp Âu – Á – Mỹ. Anh trai bà là luật sư Thái Văn Lung hy sinh năm 1946 và tên ông được đặt cho một con đường giữa trung tâm TP Hồ Chí Minh. Bảy anh chị em trong nhà đều biết đàn trước khi biết chữ.[3]

Bà ngoại là cụ Kha Vạn Lấm (cô ruột của cố bộ trưởng Kha Vạng Cân). Dòng họ Kha Vạn nổi tiếng tài danh và giàu có ở Nam Bộ.

Cha là kỹ sư Thái Văn Lân, một trong những kỹ sư điện đầu tiên của Việt Nam tốt nghiệp tại Pháp. Ông làm việc ở Công ty Điện lực Đông Pháp, mang quốc tịch Pháp, với cái tên Alexis TVLân. Trong việc giáo dục con, ông tiếp thu nền giáo dục văn minh phương Tây, cụ thể là nền văn minh Pháp. Thái Văn Lân rất thích tranh của Picasso, khuyến khích các con đọc sách, chơi đàn, vẽ và tạo mọi điều kiện để các con phát triển toàn diện. 

Từ năm lên 4, Thái Thị Liên bắt đầu được các sœur dạy piano tại trường dòng. Sau 1946, bà sang Pháp để du học và thi đỗ vào Nhạc viện Paris.