Дмитрий Николаевич Цертелев родился 30 июня 1852 года в селе Смалькове Саранского уезда Пензенской губернии, где и провел свои детские годы. Его отец, князь Николай Андреевич, помощник попечителя Харьковского учебного округа, был известен своими трудами в области этнографии. Одним из первых русских этнографов он обратился к изучению украинской народной поэзии. Ему принадлежат, в частности, работы: «Опыт собирания старинных малороссийских песен», «Взгляд на старинные русские песни и сказки», «О стихосложении старинных русских песен» и другие. В середине 60-х годов по предложению М. П. Погодина Н. А. Цертелев был избран действительным членом Общества любителей российской словесности. Научные и литературные интересы отца имели несомненное влияние на характер и судьбу Цертелева.

В 1866 году, после нескольких лет воспитания в Швейцарии, Цертелев поступил в Пятую московскую гимназию, где его сверстниками были будущий философ Владимир Соловьев и много обещавший юноша Писемский (сын известного романиста, рано скончавшийся). С Вл. Соловьевым Цертелева связывала тесная дружба, особенно упрочившаяся в Московском университете, куда оба поступили одновременно. С 1870 по 1874 год Цертелев обучался на юридическом факультете Московского университета, а затем уехал за границу и долгое время провел в Берлине, где слушал лекции знаменитых немецких философов — Гартмана и Гельмгольца. С Э. Гартманом, последователем философии Шопенгауэра, Цертелев поддерживал дружеские отношения до кончины своего учителя. В течение ряда лет Цертелев вел с Гартманом переписку по философским вопросам[43], а с возникновением в Москве журнала «Русское обозрение» пригласил его в число сотрудников.