เทพ พันธุมเสน เป็นบุตรของร้อยโทไท้ พันธุมเสน นายทหารกรมทหารปืนใหญ่ที่ 1 เกิดที่บ้านพักของบิดา ริมถนนเจริญกรุง จังหวัดพระนคร จบการศึกษาจากโรงเรียนนายร้อยทหารบก ซึ่งระหว่างที่เรียนหนังสือที่โรงเรียนนายร้อยทหารบกอยู่นั้น บิดาและมารดาได้เสียชีวิตไป จึงต้องได้รับการอุปการะจากพี่ชาย[2] แต่ทว่าเป็นบุคคลที่เรียนดี จึงได้ทุนไปศึกษาต่อวิชาทหารช่างที่เยอรมนี เมื่อจบแล้วได้ยศนายสิบ แล้วจึงเรียนต่อระดับสัญญาบัตร ได้รับพระราชทานยศร้อยตรี เมื่อวันที่ 21 พฤศจิกายน พ.ศ. 2456[3] ก่อนไปประจำการที่กองทหารในมัคเดอบวร์ค และเดินทางกลับประเทศไทยเมื่อ พ.ศ. 2458 รวมทั้งสิ้นเป็นระยะเวลา 8 ปี

จากนั้นเริ่มรับราชการทหารจนได้รับพระราชทานยศเป็น ร้อยโท เมื่อวันที่ 30 เมษายน พ.ศ. 2458[4] และยศ ร้อยเอก เมื่อวันที่ 23 มีนาคม พ.ศ. 2459[5]และได้รับพระราชทานบรรดาศักดิ์เป็น หลวงณรงค์สงคราม ถือศักดินา ๘๐๐ เมื่อวันที่ 20 เมษายน พ.ศ. 2461[6]ก่อนจะย้ายไปเป็นผู้บังคับการทหารช่างรถไฟ กองพันที่ 2 กรมทหารบกที่ 3 มีผลงานสำคัญคือ

• ก่อสร้างทางรถไฟสายเหนือ จากอุโมงค์ขุนตานถึงสถานีรถไฟเชียงใหม่
• ก่อสร้างทางรถไฟสายตะวันออก จากแปดริ้วถึงสถานีรถไฟอรัญประเทศ
• ก่อสร้างทางรถไฟสายตะวันออกเฉียงเหนือ ช่วงนครราชสีมา

ได้รับพระราชทานบรรดาศักดิ์จาก พระทรงสุรเดช เป็น พระยาทรงสุรเดช เมื่อวันที่ 3 มิถุนายน พ.ศ. 2473 [7] อาจารย์ใหญ่ฝ่ายวิชาทหารกรมยุทธศึกษาทหารบก