Trần Văn Lai sinh trưởng trong một gia đình làm nghề khảm trai có tiếng ở Hà Nội, nhưng ông theo học ngành y và về sau trở thành một bác sĩ. Ông là bác sĩ tài năng ở nhà thương Phủ Doãn, nhưng do hoạt động chống Pháp, nên từng bị Pháp giam giữ ở nhà tù Sơn La, nhà tù Hỏa Lò[1].

Ông được coi là người "kín đáo, điềm đạm" và "nhân hậu". Ngôi nhà của ông ở ngõ Tức Mạc gần Ga Hàng Cỏ trong nhiều năm liền là nơi người dân nghèo Hà Nội đến khám bệnh và xin thuốc miễn phí[1]. Ông còn tham gia hoạt động xã hội, làm Phó Hội trưởng Hội Tế sinh do bà Cả Mọc thành lập.

Ngày 20 tháng 7 năm 1945, sau khi đảo chính Pháp, Nhật giao việc quản lý hành chính các thành phố Hà Nội, Hải Phòng, Đà Nẵng cho Chính phủ Trần Trọng Kim. Bác sĩ Trần Văn Lai được mời làm Đốc lý Hà Nội, chức vụ tương đương với Đô trưởng[1]. Ông là một trong 5 thành viên của Ủy ban Giám đốc Chính trị miền bắc bao gồm: Bác sĩ Nguyễn Xuân Chữ, học giả Đặng Thai Mai, nhà văn Hoàng Đạo và ông Phan Kế Toại.