Trinh Xuan Thuan est né en le 20 août 1948 à Hanoï, au Vietnam. Il quitte le Nord Vietnam à l’âge de 6 ans. Sa famille s’établit alors à Saïgon, capitale du Sud Vietnam. Le Vietnam était alors séparé en deux par le 17e parallèle, conformément aux accords de Genève signés en 1954. Il poursuit des études secondaires au lycée français Jean-Jacques Rousseau où il a obtenu son Baccalauréat en mathématiques élémentaires avec la mention très bien en 1966. Il quitte le Vietnam pour continuer ses études supérieures.
Après une année en Suisse, à l’Ecole polytechnique de Lausanne, il poursuit ses études dans les universités américaines les plus prestigieuses : au California Institute of Technology (Caltech) où il obtient son Bachelor (licence) en physique en 1970, puis à l’université de Princeton où il obtient, en 1974, un Ph.D. en astrophysique sous la direction de l’éminent astrophysicien Lyman Spitzer, père du téléscope spatial Hubble et l’un des pionniers de la physique du milieu interstellaire et des plasmas.