ธีรเดชเกิดที่โรงพยาบาลพญาไท โดยเป็นลูกคนสุดท้องของ วีรประวัติ วงศ์พัวพันธ์ ซึ่งเป็นผู้กำกับ กับ กาญจนา วงศ์พัวพันธ์ ซึ่งเป็นผู้เขียนบทโทรทัศน์ มีนามปากกา เช่น วรพันธ์ รวี, ลีลาวดี และ แดง รวี เป็นต้น มีพี่สาว 1 คน คือ นัทธนุช วงศ์พัวพันธ์ เป็นแฟชั่นดีไซเนอร์

เขาเข้าสู่วงการบันเทิง เมื่อเขาอายุได้ 7 ปี ตามคำชักชวนของ วีรประวัติ วงศ์พัวพันธ์ บิดาของเขา ซึ่งเป็นผู้กำกับภาพยนตร์ โดยมีผลงานละครเรื่องแรกคือ หกพี่น้อง ที่กำกับโดยวีรประวัติเอง และออกอากาศในปี พ.ศ. 2528[1] ส่วนละครเรื่องที่ 2 ในวัยเด็กคือ ต้นส้มแสนรัก ทางช่อง 3 แสดงร่วมกับ ลลิตา ปัญโญภาส แต่หลังจากนั้นเขาก็กลับไปใช้ชีวิตปกติแบบเด็กทั่วไป ศึกษาที่โรงเรียนเซนต์ดอมินิก รุ่นที่ 26 จนถึงชั้น ม. 5 จากนั้นได้เข้าศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัยอัสสัมชัญได้สักระยะ ก่อนเดินทางไปศึกษา สถาบันการถ่ายภาพแห่งบรูกส์ (Brooks Institute of Photography) ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา แต่เรียนได้ 2 ปีก็กลับบ้าน เนื่องจากตรงกับช่วงเศรษฐกิจฟองสบู่แตก หลังจากกลับเมืองไทยมีคนทาบทามให้ทำงานวงการบันเทิง โดยเริ่มต้นที่มิวสิกวิดีโอเพลง "เพียงเธอ" ของวงแบล็คเฮด ตามมาด้วยผลงานการเดินแบบ ถ่ายแบบ และถ่ายโฆษณา