ดอน ปรมัตถ์วินัย เกิดเมื่อวันที่ 25 มกราคม 2493 ที่กรุงเทพมหานคร เป็นบุตรของนายเลี้ยง กับนางนงลักษณ์ ปรมัตถ์วินัย[1][2]

ดอน ปรมัตถ์วินัย จบชั้นประถมศึกษาจากโรงเรียนบวรศึกษาสถาน ชั้นมัธยมศึกษาตอนต้น จากโรงเรียนวัดสุทธิวราราม และมัธยมศึกษาตอนปลายจากโรงเรียนสวนกุหลาบวิทยาลัย และเข้าศึกษาต่อในระดับปริญญาตรี ในคณะรัฐศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ระหว่างปี 2510–2511 (สิงห์ดำ รุ่น 20) จากนั้นได้รับทุนรัฐบาล (ก.พ.) ไปศึกษาต่อที่ประเทศสหรัฐอเมริกา นายดอนได้รับปริญญาตรีเกียรตินิยม สาขารัฐศาสตร์ และปริญญาโท สาขาความสัมพันธ์ระหว่างประเทศ จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส (UCLA) และยังได้รับปริญญาโท สาขาความสัมพันธ์ระหว่างประเทศ จากวิทยาลัยกฎหมายและการทูตเฟลทเชอร์ ณ มหาวิทยาลัยทัฟส์ (The Fletcher School of Law and Diplomacy at Tufts University)

นอกจากนี้ เขายังจบการศึกษาหลักสูตรการป้องกันราชอาณาจักร รุ่นที่ 36 และการป้องกันราชอาณาจักรภาครัฐร่วมเอกชน รุ่นที่ 6 จากวิทยาลัยป้องกันราชอาณาจักร (วปอ. 36/ปรอ. 6 หรือ วปรอ. 366)

ดอน ปรมัตถ์วินัย สมรสกับ นรีรัตน์ ปรมัตถ์วินัย (สกุลเดิม ทังสุบุตร) กรรมการบริษัท ปานะวงศ์ จำกัด บุตรีนายตรีวัฒน์-นางธิติมดี ทังสุบุตร (สกุลเดิมบุนนาค โดยนางธิติมดี ทังสุบุตร แม่ยายนายดอนฯ เป็นบุตรี นาวาโท ตัปนวงศ์ บุนนาค บุตรพลตรี พระยาสุรวงศ์วิวัฒน์ (เตี้ยม บุนนาค) กับกัญจนา บุนนาค ธิดาเจ้าพระยาพิชัยญาติ (ดั่น บุนนาค)[3] มีบุตรด้วยกันหนึ่งคน คือ นายเพื่อน ปรมัตถ์วินัย

ในปี 2561 เขาได้รับรางวัลนิสิตเก่าดีเด่นจาก คณะรัฐศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย