Joseph Désiré Tholozan naît en 1820 à Diego Garcia, un petit atoll de l'archipel des Chagos situé dans l'océan Indien, de parents français. Il est l'aîné d'une famille de quatre enfants. Il commence ses études à Port-Louis aux côtés de Charles-Édouard Brown-Séquard avant de les poursuivre au lycée Thiers de Marseille. Il entre ensuite à l'École de médecine de Marseille, dirigée par François Cauvière, un proche de sa famille, puis à Paris où il soutient sa thèse en 1843. Il entre ensuite au Service de santé des armées et devient en 1852 le premier professeur agrégé de médecine à l'hôpital du Val-de-Grâce. Il participe également à la campagne de Crimée entre 1854 et 1855 où il effectue de nombreuses observations sur le choléra.