Thomas Earl Starzl nacque l'11 marzo 1926 a Le Mars, Iowa, da Roman Frederick Starzl, direttore ed editore del Post Globe, un giornale locale in lingua inglese, e Anna Laura Fitzgerald, un'infermiera, figlia di immigrati irlandesi. Secondogenito, Starzl aveva un fratello più vecchio, John, e due sorelle più giovani, Nancy (morta in giovane età di cirrosi epatica) e Marnie. Dopo la morte della madre, avvenuta il 30 giugno 1947 a causa di un cancro al seno, il padre si risposò con un'altra donna irlandese, Rita Kenelay, dal quale matrimonio Starzl ebbe una sorellastra, Cathy, nata nel 1955. Colpito per ben due volte da ictus, suo padre morì all'età di 76 anni.