Đặng Thùy Trâm sinh trưởng trong một gia đình trí thức Hà Nội. Bố là bác sĩ ngoại khoa Đặng Ngọc Khuê, mẹ là dược sĩ Doãn Ngọc Trâm - nguyên giảng viên trường Đại học Dược Hà Nội.
Đặng Thùy Trâm là chị cả của bốn chị em gái, cả chị và 3 em gái đều mang tên giống mẹ chỉ khác nhau tên đệm, cho nên bạn bè và người thân đều gọi chị Thùy Trâm là "Thùy".
Năm 1966, sau khi tốt nghiệp Đại học Y với kết quả học tập loại ưu, cô gái trẻ gạt bỏ tất cả: “một gia đình êm ấm, đầy đủ, được chiều chuộng” xung phong lên đường công tác chiến trường B (miền Nam khói lửa).
Sau ba tháng hành quân từ miền Bắc, tháng 3 năm 1967, chị vào đến Quảng Ngãi và được phân công về phụ trách bệnh viện huyện Đức Phổ, một bệnh xá dân sự nhưng chủ yếu điều trị cho các thương bệnh binh. Chị được kết nạp vào Đảng Cộng sản Việt Nam ngày 27 tháng 9 năm 1968.