Tô Lâm sinh ngày 10 tháng 07 năm 1957, quê quán tại xã Nghĩa Trụ, huyện Văn Giang, tỉnh Hưng Yên, Việt Nam Dân chủ Cộng hòa. Ông là con trai cả của Anh hùng Lực lượng vũ trang nhân dân, Đại tá Tô Quyền, nguyên Giám đốc Ty Công an tỉnh Hải Hưng,[Ghi chú 1] nguyên Cục trưởng Cục Cảnh sát Giao thông và Cục trưởng Cục Cảnh sát quản lý trại giam, cơ sở giáo dục và trường giáo dưỡng.[Ghi chú 2][5] Ông hiện cư trú tại phố Ngọc Khánh, phường Giảng Võ, quận Ba Đình, Thủ đô Hà Nội.[Ghi chú 3]

Tô Lâm được sinh ra và lớn lên trong một gia đình hoạt động cách mạng, được giảng dạy, học tập về lịch sử, tình hình đất nước từ nhỏ. Bố của ông, Anh hùng Tô Quyền tham gia cách mạng, vào Nam hoạt động phục vụ Trung ương Cục những năm 1966 – 1975 cho đến khi thống nhất đất nước, đã lấy tên của ông làm biệt danh của mình, được gọi là anh Tư Tô Lâm, chú Tư Tô Lâm.[6] Ông được nuôi nấng ở miền Bắc, theo học phổ thông, tốt nghiệp phổ thông: 10/10.[Ghi chú 4]

Với hình tượng của bố, Tô Lâm theo học lĩnh vực an ninh. Tháng 10 năm 1974, ông là học viên khóa sáu của Trường Công an Trung ương, sau đổi tên thành Đại học An ninh nhân dân, nay là Học viện An ninh nhân dân.[7] Sau đó, ông theo học và nghiên cứu lĩnh vực pháp luật, nhận bằng Tiến sĩ Luật học. Ngày 22 tháng 10 năm 2015, ông được phong học hàm Giáo sư ngành Khoa học An ninh.[8]

Tô Lâm được kết nạp Đảng Cộng sản Việt Nam vào ngày 22 tháng 08 năm 1981, trở thành đảng viên chính thức vào ngày 22 tháng 08 năm 1982. Trong quá trình hoạt động Đảng và Nhà nước, ông theo học các khóa tại Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh, nhận bằng Cao cấp lý luận chính trị.[4]