Han ble døpt i Gamle Aker kirke. Familien bodde da i tredje etasje i Pilestredet 28, og faren er titulert . Familiens nærmeste naboer var Wilhelm Adelsten Maribo og Hedvig Maribo, som bodde i den andre leiligheten i tredje etasje; besteforeldrene Mine og Christopher Blom Paus bodde fra 1890-årene i en leilighet i første etasje på samme adresse. Familien bodde i Pilestredet til han ble voksen; faren fikk senere bygget Pausvillaen på Bygdøy, der Thorleif bodde når han var i Norge i de årene han holdt til i Wien. Thorleif Paus tok eksamen ved Kristiania Handelsgymnasium i 1901 og ble utdannet offiser ved Krigsskolen året etter. Han ble sekondløytnant i 1902 og premierløytnant i 1909.