Tyson dilahirkan pada 5 Oktober 1958 di Manhattan sebagai anak kedua daripada tiga beradik, kepada sebuah keluarga yang menetap di the Bronx.[3] Ibunya, Sunchita Maria (née Feliciano) Tyson, merupakan ahli gerontologi untuk Jabatan Kesihatan, Pendidikan dan Kebajikan A.S., dan berasal dari keturunan Puerto Rico.[4] Bapanya, Cyril deGrasse Tyson (1927-2016), yang berketurunan Afrika-Amerika ialah seorang ahli sosiologi, pesuruhjaya sumber manusia untuk Datuk Bandar New York John Lindsay, dan Pengarah pertama Peluang Pemuda Harlem yang pertama.[5][6] Tyson mempunyai dua adik-beradik Stephen Joseph Tyson dan Lynn Antipas Tyson.[7] Nama tengah Tyson, deGrasse, berasal dari nama nenek moyangnya, yang dilahirkan sebagai Altima de Grasse di pulau-pulau Nevis, Hindia Barat British.[8]

Tyson membesar di kejiranan Castle Hill dari Bronx, dan kemudian di Riverdale.[9] Dari tadika ke sekolah menengah, Tyson menghadiri sekolah awam di Bronx: P.S. 36, P.S. 81, Riverdale Kingsbridge Academy (kemudian dikenali sebagai "P.S. 141"), dan The Bronx High School of Science (1972-1976) di mana beliau merupakan kapten pasukan gusti dan ketua penyunting Physical Science Journal.[10][11] Kepentingannya dalam astronomi bermula pada usia sembilan tahun selepas melawat teater langit Hayden Planetarium.[12] Beliau teringat bahawa "begitu kuat adalah jejak itu [langit malam] yang saya yakin bahawa saya tidak mempunyai pilihan dalam perkara itu, sebenarnya, alam semesta itu memanggil saya."[13] Semasa sekolah menengah, Tyson menghadiri kursus astronomi yang ditawarkan oleh Planetarium Hayden, yang dipanggil "tempoh yang paling formatif" dalam hidupnya. Beliau mengiktiraf Dr. Mark Chartrand III, pengarah planetarium pada masa itu, sebagai "model peranan intelektual yang pertama" dan gaya ajarannya yang bersemangat bercampur dengan humor yang diilhami Tyson untuk menyampaikan alam semesta kepada orang lain seperti yang dilakukannya.[14]

Tyson secara obsesif mengkaji astronomi pada zaman remaja, dan akhirnya mendapat perhatian ramai dalam komuniti astronomi dengan memberikan kuliah mengenai subjek itu pada usia lima belas tahun.[15] Ahli astronomi Carl Sagan, yang merupakan ahli fakulti di Universiti Cornell, cuba merekrut Tyson untuk Cornell untuk kajian sarjana muda.[6] Di dalam bukunya, The Sky Is Not the Limit, Tyson menulis:

Surat permohonan saya telah menitis yang mempunyai kepentingan dalam alam semesta. Pejabat kemasukan, tanpa diketahui saya, telah mengemukakan permohonan saya kepada perhatian Carl Sagan. Dalam beberapa minggu, saya menerima surat peribadi...[16]

Tyson mengingati kembali detiknya dalam episod pertama Cosmos: A Spacetime Odyssey. Menolak kalendar 1975 milik ahli astronomi terkenal, beliau melihat pada hari Sagan menjemput beliau yang berusia 17 tahun untuk meluangkan sehari di Ithaca. Sagan telah menawarkan untuk bermalam jika basnya kembali ke Bronx tidak datang. Tyson berkata, "Saya sudah tahu yang saya mahu menjadi seorang saintis. Tetapi pada waktu petang itu, saya belajar dari Carl jenis orang yang saya mahu menjadi."[17][18]

Tyson memilih untuk menghadiri Harvard di mana beliau mengambil jurusan fizik dan tinggal di Currier House. Beliau ialah ahli pasukan kru semasa tahun pertama, tetapi kembali kepada gusti, yang menulis dalam tahun seniornya. Beliau juga aktif dalam tarian, dalam gaya termasuk jazz, balet, Afro-Caribbean, dan Latin Ballroom[19]

Tyson merupakan pensyarah astronomi di Universiti Maryland dari 1986 hingga 1987[20] dan pada tahun 1988, beliau diterima masuk ke program pengajian astronomi di Universiti Columbia, di mana beliau mendapat gelaran MPhil dalam bidang astrofizik pada tahun 1989, dan ijazah Doktor Falsafah (PhD) dalam astrofizik pada tahun 1991[21] di bawah pengawasan Profesor R. Michael Rich. Rich memperoleh dana untuk menyara penyelidikan kedoktoran Tyson dari NASA dan yayasa ARCS[22] membolehkan Tyson menghadiri mesyuarat antarabangsa di Itali, Switzerland, Chile, dan Afrika Selatan[20] dan untuk menyewa pelajar untuk membantunya dengan pengurangan data.[23] Semasa menjalankan tugas tesisnya, beliau mengamati menggunakan teleskop 0.91 m di Pencerapan Antara-Amerika Cerro Tololo di Chile, di mana beliau memperoleh imej untuk Pencerapan Supernova Calán/Tololo[24][25][26] membantu untuk melanjutkan kerja mereka dalam mewujudkan supernova jenis Ia sebagai lilin standard. Kertas-kertas ini terdiri daripada sebahagian daripada kertas penemuan penggunaan Jenis supernovae Ia untuk mengukur jarak, yang membawa kepada peningkatan ukuran pemalar Hubble[27] dan penemuan tenaga gelap pada 1998.[28][29] Beliau merupakan pengarang ke-18 di dalam kertas bersama Brian Schmidt, bakal pemenang Hadiah Nobel dalam Fizik, di dalam kajian ukuran jarak bagi Supernovae Jenis II dan pemalar Hubble.[30]

Semasa penyelidkan tesis beliau di Universiti Columbia, Tyson berkenalan dengan Profesor David Spergel di Universiti Princeton, yang melawat Columbia dalam usaha bekerjasama dengan penasihat tesisnya pada bulatan Galaktik[31][32][33] lazimnya ditemui di galaksi pusaran.