Тім Блейк Нельсон народився в єврейській родині у місті Талса, штат Оклахома. Його мати Рут Нельсон (до шлюбу Кайзер) громадська активістка і філантропка, батько Дон Нельсон геолог і геологорозвідник нафтових родовищ. Його дід і баба по материнській лінії євреї, що жили в Німеччині і які дивом врятувались та втекли від нацистів перед самим початком Другої світової війни. У 1938 році вони переїхали до Британії, де і народилась його мати Рут. Пізніше у 1941 році їхня родина емігрувала до США. По батьківській лінії родичі Тіма були російськими євреями, які теж емігрували до США.
Нельсон навчався у приватній школі (Holland Hall) міста Талса, яку він закінчив у 1982 році. Під час навчання відвідував літній табір мистецтв Оклахоми (Quartz Mountain Resort Arts and Conference Center) поблизу містечка Лоун-Вулф. Після школи переїхав на східне узбережжя США до штату Род-Айленд де навчався на академічній дисципліні антикознавство в Університеті Брауна, випускником якого він став у 1986 році. Після Університету Брауна навчався в Джульярдській школі в Нью-Йорку, яку він закінчив у 1990 році у складі 19 групи.
