ระหว่างที่เรียนอยู่ ณ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ เขาร่วมในกิจกรรมด้านสิทธิมนุษยชนและความเป็นธรรมทางสังคม ในปี พ.ศ. 2543 ขณะร่วมเรียกร้องสิทธิกับกลุ่มสมัชชาคนจน ปะทะกับเจ้าหน้าที่ตำรวจบริเวณหน้าทำเนียบรัฐบาล จนตัวเองได้รับบาดเจ็บเล็กน้อย[5] เมื่อขึ้นชั้นปีที่ 3 เขาศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัยนอตทิงแฮม ประเทศอังกฤษ เขาเริ่มศึกษาทฤษฎีของคาร์ล มากซ์ และวลาดีมีร์ เลนิน เขาได้เข้าร่วมกลุ่ม Socialist Worker Student Society ซึ่งเป็นองค์กรจัดตั้งระดับนักศึกษาในอังกฤษ หลังสำเร็จการศึกษา เขาได้กลับมาทำงานกับองค์การนอกภาครัฐในประเทศไทยได้ราวครึ่งปี[5] ต่อมาบิดาของเขาเสียชีวิตจากโรคมะเร็งในปี พ.ศ. 2545

เขามีศักดิ์เป็นหลานอาของสุริยะ จึงรุ่งเรืองกิจ อดีตรองนายกรัฐมนตรี รัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม ธนาธรและสุริยะให้สัมภาษณ์หลายครั้งว่าทั้งสองมีความเห็นทางการเมืองต่างกันตั้งแต่สมัยธนาธรยังเป็นนักศึกษา เพราะธนาธรไม่เห็นด้วยกับโครงการท่อส่งก๊าซไทย-มาเลย์ เป็นอย่างมากเพราะจะทำให้ประเทศไทยเสียผลประโยชน์อย่างมหาศาล นำไปสู่ความขัดแย้งกับสุริยะ ซึ่งเป็นรัฐมนตรีในรัฐบาลทักษิณ ชินวัตร ขณะนั้น[7] ในปี 2561 สุริยะที่ไปเข้าพรรคพลังประชารัฐ กล่าวถึงธนาธรว่า “ถ้าคุณพ่อเขาไม่เสีย ทุกวันนี้เขาคงไปเดินสายเอ็นจีโอ สมัยที่เขายังเรียนอยู่ บางทีซีเอ็นเอ็นออกข่าวเรื่องการต่อต้านอะไร คุณจะได้เห็นธนาธรโผล่ไปหมดแหละครับ ต่างประเทศก็ด้วย เพราะจริง ๆ เขาอยากจะเห็นโลกที่สมบูรณ์แบบ”ในแบบที่เขาคิด[8]