Doanh nhân Nguyễn Đình Thắng sinh ra trong một gia đình có truyền thống cách mạng tại huyện Vĩnh Lộc, tỉnh Thanh Hóa. Ông nội của Thắng là một nhà chí sĩ yêu nước nổi tiếng vào những năm 1930 - Nguyễn Đan Quế (còn gọi là ông Đốc Quế, khi đó ông làm Đốc học tại phủ Quảng Hóa, Thanh Hóa). Ông nội, bố mẹ và các cô, chú của ông đều tham gia hoạt động cách mạng từ trước và sau Cách mạng Tháng Tám.