ดร.พรรณสิริ กุลนาถศิริ เกิดเมื่อวันที่ 19 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2502 เป็นน้องสาวของนายสมศักดิ์ เทพสุทิน อดีตสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร จังหวัดสุโขทัย แกนนำกลุ่มมัชฌิมา พรรคภูมิใจไทย สำเร็จการศึกษาระดับประกาศนียบัตรการศึกษา (ปกศ.) จากวิทยาลัยครูพิบูลสงคราม ระดับปริญญาตรีด้านการศึกษา จากมหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ พิษณุโลก (พ.ศ. 2523) ปริญญาโทสาขาวิทยาศาสตร์ศึกษา และสาขาบริหารการศึกษา จากมหาวิทยาลัยนเรศวร และปริญญาเอก สาขาพัฒนาสังคม จากมหาวิทยาลัยนเรศวร (พ.ศ. 2553)