Cyrille Toumanoff est né à Saint-Pétersbourg d'un père issu de la famille princière arméno-géorgienne des Toumanian-Toumanichvili, princes de Satoumanischvilo qui exerçaient la charge de « protonotaires collégiaux » à la cour de Tiflis et d’une mère russe. Il quitte la Russie avec sa mère lors de la Révolution de 1917. La famille s’établit dans un premier temps à Paris puis émigre aux États-Unis en 1928. Cyrille Toumanoff intègre la Lennox School de garçon dont il est diplômé en 1931 puis Harvard. Ses professeurs sont John Insley Coddington et Robert Pierpont Blake qui lui permettent financièrement de se rendre à Bruxelles étudier l'Arménologie avec Nicolas Adontz puis à Berlin, où il étudie le Géorgien avec Michael Tsereteli.