จอมพล ถนอม กิตติขจร เกิดเมื่อ 11 สิงหาคม พ.ศ. 2454 ณ บ้านหนองหลวง อำเภอเมืองตาก จังหวัดตาก เป็นบุตรของขุนโสภิตบรรณลักษณ์ (อำพัน กิตติขจร) กับนางโสภิตบรรณลักษณ์ (ลิ้นจี่) มีพี่น้องร่วมบิดามารดา 7 คน ได้แก่

• นาง รำพึง พันธุมเสน (ถึงแก่กรรม)
• เด็กหญิง ลำพูน กิตติขจร (ถึงแก่กรรม)
• จอมพล จอมพลเรือ จอมพลอากาศ ถนอม กิตติขจร
• นาง สุรภี ชูพินิจ (ถึงแก่กรรม)
• นาย สนิท กิตติขจร (ถึงแก่กรรม)
• นาง สายสนม กิตติขจร อดีตนายกสมาคมเภสัชและอายุรเวชโบราณแห่งประเทศไทย (ถึงแก่กรรม)
• พลตำรวจตรี สง่า กิตติขจร อดีตรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงการต่างประเทศ (ถึงแก่อนิจกรรม)
• นาง ปราณีต สุคันธวณิช อดีตนายกสมาคมส่งเสริมการศึกษาในถิ่นกันดาร ในพระอุปถัมภ์สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี (ถึงแก่กรรม)

จอมพล ถนอม กิตติขจร มีแซ่ในภาษาจีนว่า ฝู (จีน: 符; พินอิน: fú)เริ่มการศึกษาชั้นต้นที่โรงเรียนประชาบาลวัดโคกพลู จังหวัดตากหลังจากนั้นได้เข้าศึกษาต่อที่โรงเรียนนายร้อยทหารบก และในระหว่างรับราชการทหารได้ศึกษาต่อที่ โรงเรียนแผนที่ทหาร กองทัพบก โรงเรียนทหารราบ กองทัพบก และวิทยาลัยป้องกันราชอาณาจักร (รุ่นที่ 1) ตามลำดับ

จอมพล ถนอมได้รับปริญญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิตกิตติมศักดิ์จากจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยเมื่อ พ.ศ. 2504[1] จอมพล ถนอมดำรงตำแหน่งอธิการบดีมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ระหว่าง วันที่ 8 มกราคม พ.ศ. 2503 [2] - 18 ธันวาคม พ.ศ. 2506 [3]