ฐิติมา ฉายแสง มีชื่อเล่นว่า เปิ้ล เกิดเมื่อวันที่ 13 พฤศจิกายน พ.ศ. 2503[3] เป็นบุตรสาวของนายอนันต์ นางเฉลียว ฉายแสง เป็นน้องสาวของนายจาตุรนต์ ฉายแสง อดีตรักษาการหัวหน้าพรรคไทยรักไทย และนายวุฒิพงศ์ ฉายแสง อดีตรัฐมนตรี ปัจจุบันสมรสกับปรีชา บุณยกิดา มีบุตร 2 คน[1]

ฐิติมา ฉายแสง สำเร็จการศึกษาจากโรงเรียนเตรียมอุดมศึกษา ระดับปริญญาตรี ด้านศึกษาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยศิลปากร ระดับปริญญาโท ด้านบริหารธุรกิจ และด้านบริหารรัฐกิจ จากมหาวิทยาลัยเซาท์อีสเทอร์น ประเทศสหรัฐอเมริกา