วรรณไว พัธโนทัย เป็นบุตรของนายสังข์ พัธโนทัย (ที่ปรึกษาคนสนิทของ จอมพล ป.พิบูลสงคราม) กับนาง วิไล พัธโนทัย เกิดเมื่อวันที่ 25 สิงหาคม พ.ศ. 2485 เป็นบุตรคนที่ 2 ของพี่น้องทั้งหมด 5 คน ได้แก่ นายมั่น พัธโนทัย นายวรรณไว พัธโนทัย นางสิรินทร์ ฮอร์น นางผ่องศรี ฟอร์น วังเด็กก์ และนางวิริยะวรรณ สาทิสสะรัต

นายวรรณไว พัธโนทัย เข้าศึกษาที่โรงเรียนกรุงเทพคริสเตียนวิทยาลัยจนกระทั่งถึงชั้นมัธยม 3 จำเป็นต้องย้ายที่เรียนไปศึกษาต่อยังสาธารณรัฐประชาชนจีน (ขณะนั้นวรรณไว มีอายุได้ 12 ปี) เนื่องจากต้องไปเป็นบุตรบุญธรรมของนายกรัฐมนตรีโจว เอินไหล เพื่อแสดงความจริงใจในการผูกมิตรระหว่างไทยกับสาธารณรัฐประชาชนจีน สมัยจอมพล ป. พิบูลสงคราม และได้ศึกษาอยู่ที่กรุงปักกิ่งจนสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรี สาขาปรัชญา จากมหาวิทยาลัยปักกิ่งวรรณไว พัธโนทัย สมรสกับนางปทุมา พัธโนทัย (นามสกุลเดิม สุนทรกุมาร) มีบุตรและธิดารวม 3 คน ได้แก่

1. นายปราชญ์ พัธโนทัย
2. นายวรัตม์ พัธโนทัย
3. นางสาววรรณปราณ พัธโนทัย