Deniz Gezmiş, 28 Şubat 1947'de Ankara'nın Ayaş ilçesinde doğdu. Dedeleri Rize'nin İkizdere ilçesine bağlı Cimil köyündendir. Babası Ilıca (Aziziye),Erzurum nüfusuna kayıtlı ilköğretim müfettişi Cemil Gezmiş, annesi ise Erzurum'un Tortum ilçesinden ilkokul öğretmeni Mukaddes Gezmiş'tir. Deniz Gezmiş ailenin üç erkek çocuğundan ikincisiydi. Ağabeyi Bora Gezmiş (d. 1944),hukuk fakültesinden ayrılıp bankacılık yapmıştı. Kardeşi Hamdi Gezmiş (d. 1952) ise mâlî müşavirdir.

Deniz Gezmiş, ilk ve orta öğrenimini Sivas'ta, liseyi İstanbul'da Haydarpaşa Lisesi'nde okudu. Henüz lise öğrencisiyken sol düşünceyle tanıştı ve kendini dönemin eylemleri içinde buldu. 11 Ekim 1965'te Türkiye İşçi Partisi'nin (TİP) Üsküdar ilçe başkanlığına üye oldu. İlk göz altısını 15 Ağustos - 31 Ağustos 1966 tarihleri arasında Ankara'dan İstanbul'a yürüyen Çorum Belediyesi temizlik işçilerinin Taksim Anıtı'na çelenk koymaları sırasında işçileri destekleyen ve Türk-İş yöneticilerini protesto eden gösteri sırasında yaşadı.

6 Temmuz 1966 tarihinde girdiği üniversite sınavında hem fen fakültesini hem de hukuk fakültesini kazandı. Babası, Deniz'in fen fakültesine gitmesini istedi. Deniz, babasının isteğini geri çevirmeyerek fen fakültesine gitmeyi kabul etti. Fakat daha sonra fikir değiştirerek hukuk fakültesine kaydını yaptırdı. 7 Kasım 1966'da İstanbul Üniversitesi Hukuk Fakültesi'ne girdi. Ardından 19 Ocak 1967'de Türkiye Millî Talebe Federasyonu (TMTF) binasının yedd-i emine verilmesi sırasında çıkan olaylarda yakalandı ve bir gün sonra iki arkadaşıyla çıkarıldığı mahkeme tarafından serbest bırakıldı.

22 Kasım 1967'de öğrenci örgütlerinin düzenlediği Kıbrıs Mitingi sırasında Aşık İhsani ile birlikte ABD bayrağını yaktıkları gerekçesi ile gözaltına alınıp daha sonra serbest bırakılan Deniz Gezmiş, Hukuk Fakültesi'nde birlikte okuduğu arkadaşlarıyla birlikte 30 Ocak 1968'de "Devrimci Hukukçular Örgütü"'nü kurdu. 7 Mart 1968'de İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi konferans salonunda düzenlenen toplantıda konuşma yapan Devlet Bakanı Seyfi Öztürk'ü protesto ettiği için tutuklandı. 2 Mayıs'a kadar tutuklu kalan Gezmiş, 30 Mayıs'ta 6. Filo'yu protesto ettiği için yargılandı ve beraat etti.