Deniz Gezmiş, 28 Şubat 1947'de Ankara'nın Ayaş ilçesinde doğdu.Babası Erzurum, Ilıca nüfusuna kayıtlı ilköğretim müfettişi Cemil Gezmiş, annesi ise Erzurum'un Tortum ilçesinden ilkokul öğretmeni Mukaddes Gezmiş'tir. Ailenin üç erkek çocuğundan ikincisidir. Ağabeyi Bora Gezmiş, hukuk fakültesinden ayrılıp bankacılık yapmıştır. Hamdi Gezmiş ise, mali müşavirdir.

Gezmiş, ilk ve ortaöğrenimini Sivas'ta, liseyi İstanbul'da okudu. Henüz lise öğrencisiyken sol düşünceyle tanıştı ve kendini dönemin eylemleri içinde buldu.