Giáo sư Lê Văn Thiêm sinh năm 1918 tại Hà Tĩnh, trong một gia đình có truyền thống hiếu học và nhiều thế hệ đỗ đạt. Biến cố lớn xảy đến khi ông mới còn nhỏ: năm 1930, cả cha lẫn mẹ đều qua đời. Từ đó, Lê Văn Thiêm theo người anh cả là ông Lê Văn Kỷ vào Quy Nhơn sinh sống. Tại đây, ông theo học tại Trường Collège de Quy Nhơn, tiền thân của Trường Quốc học Quy Nhơn ngày nay.
Ngay từ những năm học phổ thông, Lê Văn Thiêm đã bộc lộ năng lực đặc biệt về Toán học. Sự thông minh và khả năng tư duy vượt trội của ông khiến nhiều giáo viên không khỏi ngạc nhiên. Không chỉ giải thành thạo các bài toán trong chương trình, ông còn có thể tìm ra nhiều cách giải khác nhau, kể cả với những bài tập dành cho học sinh lớp trên.
