Tạ Đình Thi sinh ngày 24 tháng 9 năm 1973 tại xã Quất Động, huyện Thường Tín, tỉnh Hà Tây, nay thuộc thành phố Hà Nội. Ông lớn lên và tốt nghiệp phổ thông ở Thường Tín, theo học đại học và có hai bằng gồm Cử nhân Kỹ thuật môi trường, và Cử nhân Quản trị kinh doanh. Sau đó, ông học cao học và nhận bằng Thạc sĩ Quản lý công cộng, rồi là nghiên cứu sinh ở Trường Đại học Kinh tế Quốc dân, bảo vệ thành công luận án tiến sĩ đề tài "Chuyển dịch cơ cấu kinh tế trên quan điểm phát triển bền vững của vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ Việt Nam", trở thành Tiến sĩ Kinh tế vào năm 2007.[1] Ông được kết nạp Đảng Cộng sản Việt Nam vào ngày 30 tháng 12 năm 1998, trở thành đảng viên chính thức sau đó 1 năm, rồi từng học các khóa chính trị ở Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh, nhận bằng Cao cấp lý luận chính trị. Hiện ông thường trú ở phường Vĩnh Phúc, quận Ba Đình, thành phố Hà Nội.[2]