Anh hùng Vũ Xuân Thiều sinh năm 1945, dân tộc Kinh, quê ở xã Hải An, huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định, cư trú tại phố Đặng Dung, Hà Nội. Ông là con thứ bảy trong gia đình có 10 người con.[4] Từng theo học tại trường Trung học phổ thông Chu Văn An và Đại học Bách khoa Hà Nội, ông trốn gia đình để nhập ngũ khi đang học đại học năm thứ ba[4] vào năm 1965. Sau khi được tuyển chọn vào không quân, ông mới báo tin cho gia đình biết.[4]

Năm 1968, sau khi hoàn thành xuất sắc khóa học tập và huấn luyện bay ở Liên Xô, phi công Vũ Xuân Thiều trở về nước và được biên chế về Đoàn không quân Sao Đỏ (E921).[4] Khi hy sinh, ông là đảng viên, thượng uý, trung đội trưởng thuộc Đại đội 9, Trung đoàn 927, Sư đoàn 371, Không quân Nhân dân Việt Nam.

Trung tuần tháng 12 năm 1972, khi Hoa Kỳ mở rộng cuộc tập kích chiến lược quy mô lớn bằng máy bay ném bom Boeing B-52 Stratofortress vào thành phố Hà Nội và Hải Phòng, Vũ Xuân Thiều cùng đồng đội quyết tâm tiêu diệt B-52. Để đánh chắc thắng ông đề xuất phương án công kích gần, mặc dù có khả năng nguy hiểm cho cả máy bay và phi công.