Đỗ Quốc Sam sinh ngày 29 tháng 5 năm 1929, quê ở Thôn Thái Bình, xã Mai Lâm, huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội. Ông là con trai út của cụ Đỗ Ngọc Toại, một nhà nho, dạy học ở Đình Bảng (Bắc Ninh), từng tham gia kháng chiến và giữ chức Chủ tịch Mặt trận Tổ quốc tỉnh Bắc Ninh.

Được sự giáo dục của cha, từ nhỏ, ông đã theo học Nho học, sau tuổi thiếu niên bắt đầu học Tây học. Trong thời kỳ kháng chiến chống thực dân Pháp, ông tham gia dạy học ở các vùng kháng chiến.