Frans Donders stammte aus einer katholischen Familie ohne wissenschaftliche Ambitionen. Er war der jüngste Sohn von neun Kindern des Kaufmanns Jan Francis Donders (getauft 30. April 1755 in Tilburg; † 15. Oktober 1819 ebenda) und dessen Frau Agnes Elisabeth Clara Hegh (* 1781 in Kleve (Deutschland); † 12. Dezember 1853 in Tilburg). Im Alter von sieben Jahren wurde er in den kleinen Ort Duizel bei Tilburg zur Schule geschickt. Schon als Kind fiel er durch seine außergewöhnliche Begabung auf, so dass er als elfjähriger eine Unterlehrerstelle an der dortigen Schule erhalten konnte und sich so das Kostgeld sparte. Ursprünglich beabsichtigte seine Mutter ihn zum katholischen Priester ausbilden zu lassen, jedoch zerschlug sich dieses Ansinnen mit der Belgischen Revolution von 1830. 1831 wechselte Donders auf die französische Schule in Tilburg und zog von dort an die Lateinschule in Boxmeer. In Boxmeer fand der junge Donders viel freie Zeit für Spaziergänge, für das Angeln, lernte Sprachen, erfasste verschiedene Literatur und widmete sich naturwissenschaftlichen Fragen.