Ngô Thụy Miên tên thật là Ngô Quang Bình, sinh ngày 26 tháng 9 tại Hải Phòng. Ông là con thứ nhì trong một gia đình bảy người con. Ngô Thụy Miên lớn lên với sách vở, thơ văn, gia đình anh điều hành nhà sách Thanh Bình ở Hải Phòng, và sau đó ở Sài Gòn (trên đường Phan Đình Phùng). Thời học sinh, ông có học nhạc với nhạc sĩ Chung Quân và Hùng Lân tại trường trung học Nguyễn Trãi. Sau đó ông học ở Đại học Khoa học Sài Gòn. Trong thập niên 1960, Ngô Thụy Miên có theo hoc vĩ cầm với giáo sư Đỗ Thế Phiệt, và nhạc pháp với giáo sư Hùng Lân tại Trường Quốc gia Âm nhạc Sài Gòn. Thời gian học ở đây, Ngô Thụy Miên quen biết với Đoàn Thanh Vân, con gái của diễn viên Đoàn Châu Mậu và hai người có một mối tình.