Ông sinh ngày 10 tháng 5 năm 1912 tại Thanh Hóa và lớn lên ở Huế. Xuất thân từ một gia đình quý tộc nhà Nguyễn (thân sinh ông là cụ Tôn Thất Niên, Tổng đốc Thanh Hóa), nhưng ông không theo nghiệp học làm quan, do đó vào năm 1931, ông ra Hà Nội theo học tại trường Trung học Bảo Hộ (tức trường Bưởi – trường Chu Văn An ngày nay). Năm 1935, ông học tại Trường Y khoa Hà Nội, một trường thành viên của Viện Đại học Đông Dương, với quan niệm nghề y là một nghề "tự do", không phân biệt giai cấp.

Lúc bấy giờ, Trường Y Hà Nội là trường y duy nhất của cả Đông Dương trước 1945, khi đó có lệ các sinh viên y khoa bản xứ chỉ được thực tập ngoại trú, không được dự các kỳ thi "nội trú", do chính quyền thuộc địa không muốn có những bác sĩ bản xứ có trình độ chuyên môn cao có thể cạnh tranh với bác sĩ của chính quốc. Trong thời gian làm việc ngoại trú tại Bệnh viện Phủ Doãn, ông đã rất bất bình với việc này và đã đấu tranh đòi chính quyền thực dân phải tổ chức cuộc thi nội trú cho các bệnh viện ở Hà Nội vào năm 1938. Ông là người duy nhất trúng tuyển một cách xuất sắc trong kỳ thi khóa nội trú đầu tiên của trường và mở đầu tiền lệ cho các bác sĩ nội trú người bản xứ.

Cũng trong giai đoạn này, trong một lần phát hiện trong gan của một người bệnh có giun chui ở các đường mật, ông đã nảy ra ý tưởng dùng những lá gan bị nhiễm giun để phẫu tích cơ cấu của lá gan. Trong suốt thời gian từ năm 1935 đến năm 1939, chỉ bằng một con dao nạo thô sơ, ông đã phẫu tích trên 200 lá gan của tử thi để nghiên cứu các mạch máu và vẽ lại thành các sơ đồ đối chiếu. Trên cơ sở đó, ông đã viết và bảo vệ thành công luận án tốt nghiệp bác sĩ y khoa với nhan đề "Cách phân chia mạch máu của gan". Với bản luận án này, ông đã được tặng Huy chương Bạc của Trường Đại học Tổng hợp Paris (mà Trường Đại học Y – Dược tại Hà Nội lúc bấy giờ là một bộ phận). Bản luận án được đánh giá rất cao và trở thành tiền đề cho những công trình khoa học nổi tiếng của ông.[1]