Едуард Тотлебен е роден на 8 май 1818 г. в семейството на дребен немски аристократ от Източна Прусия. Роден е в Митава, Курландия, част от Руската империя. Ориентира се към военното поприще. Учи в Санктпетербургското военно-инженерно училище (1835 – 1838). Постъпва в армията през 1840 г. Участва в Кавказката война (1847 – 1848). Назначен е за началник на инженерните части на Гвардейския и Гренадирския корпус през 1851 г.