Han var sønn av Wilhelm Stenersen (1863–1930) og Sigrid (født Young, 1868–1942), og vokste opp på Tveten gård i daværende Aker kommune (nå Tveita i Oslo). Thorleif Stenersen fullførte Kristiania tekniske skole i 1915, og avla eksamen ved den tekniske høyskolen i Dresden i 1923. Han hadde også eksamen fra Krigsskolens infanterilinje, og var fra 1931 kaptein. I det sivile arbeidet Stenersen blant annet ved Aker kommunale ingeniørvesen, Hamar vannverk, boligdirektoratet i Oslo og i Oslo vann og kloakkvesen.