Trương Thị Mai sinh ngày 23 tháng 01 năm 1958, nguyên quán tại xã Hiền Ninh, huyện Quảng Ninh, tỉnh Quảng Bình, Việt Nam Dân chủ Cộng hòa.[Ghi chú 1] Bà cùng gia đình chuyển vào Đà Lạt, Lâm Đồng từ nhỏ, lớn lên ở vùng đất này. Khi là thanh niên, bà theo học chuyên ngành Lịch sử tại Trường Đại học Đà Lạt,[Ghi chú 2] nhận bằng Cử nhân Lịch sử.[2]

Trong những năm công tác, bà theo học Học viện Hành chính tại thủ đô Hà Nội, nhận bằng Cử nhân Luật học, tiếp tục học chuyên ngành Hành chính công và trở thành Thạc sĩ Hành chính công. Ngày 11 tháng 10 năm 1985, bà được kết nạp Đảng Cộng sản Việt Nam, trở thành đảng viên chính thức vào ngày 11 tháng 10 năm 1986. Trong quá trình hoạt động Đảng và Nhà nước, bà theo học các khóa tại Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh, nhận bằng Cao cấp lý luận chính trị.