Di Maio ble født i Avellino i 1986 som den eldste av tre søsken. Hans far var boligselger og satt i byrådet som representant for det nyfascistiske partiet Movimento Sociale Italiano, mens hans mor var lærer i italiensk og latin. Di Maio tok sin videregående utdanning ved et klassisk lyceum og begynte deretter på Università degli studi di Napoli, Federico II for å studere til ingeniør, men skiftet etterhvert til jus. Han mottok aldri vitnemål og har derfor ingen formell gradsutdanning.