Sinh ra trong gia đình có cha làm tri huyện ở huyện Vũ Tiên (Thái Bình), Phạm Đồng Điện và các em có điều kiện được học tập. Năm 1933, ông thi vào trường Trung học Bảo hộ ở Hà Nội (thường gọi là trường Bưởi, nay là trường trung học phổ thông Chu Văn An) – một trường nổi tiếng nhất ở miền Bắc nước ta bấy giờ, mỗi khóa chỉ lấy 120 học sinh. Hồi đó, trường Bưởi là trường trung học có hai cấp: cấp Cao đẳng tiểu học (tương đương lớp 6 đến lớp 9 hiện nay) và cấp Tú tài (tương đương với cấp 3).
Sau khi học 4 năm Cao đẳng tiểu học, học sinh được thi để lấy bằng Thành chung, sau đó có thể làm công chức tại cơ quan của nhà nước. Còn những ai muốn học tiếp sẽ thi vào ban Tú tài, học đến năm thứ ba thì phân ra thành lớp Triết học và lớp Toán. Phạm Đồng Điện học cả hai cấp ở trường Bưởi.
Nhà văn hóa Hữu Ngọc còn nhớ khá rõ: Hàng năm, trong mấy trăm học sinh của trường Bưởi, hội đồng kỉ luật xem xét và khen thưởng những học sinh xuất sắc. Vào năm 1938, có 7 người được trường khen thưởng, trong đó có Phạm Đồng Điện và ông. Những học sinh này được mời đến Nhà hát lớn thành phố và ở đó người ta tổ chức tuyên dương, còn phần thưởng là một chồng sách, phải thuê xe xích lô để mang về.
Những điều kể lại từ kí ức cho thấy Giáo sư Phạm Đồng Điện thuở nhỏ học rất giỏi, mà điều đó cũng được khẳng định qua cuốn học bạ của ông từ năm 1937 đến 1940 tại trường Bưởi. Với mỗi học sinh trường này, học bạ lưu lại rõ ràng và cụ thể kết quả học tập hàng năm, có bảng điểm tất cả các môn học, có nhận xét của hiệu trưởng và các giáo viên về tình hình học tập, sự tiến bộ và hạnh kiểm của học sinh. Có lẽ đây là một hiện vật hiếm hoi về thời học trò của Giáo sư Phạm Đồng Điện, cho thấy thành tích học tập đáng nể phục của ông trong suốt 3 năm ở trường Bưởi.
Sau khi tốt nghiệp trường Bưởi, ông vào học khoa Khoa học của trường Đại học Đông Dương (nay là Đại học Quốc gia Hà Nội) và đậu bằng Cử nhân khoa học. Rồi ông tham gia cách mạng và công tác tại Phòng Hóa chất của Cục Quân giới, về sau làm Phó giám đốc Nha Nghiên cứu kĩ thuật. Năm 1951, ông được cử tham gia đoàn cán bộ khoa học kĩ thuật đầu tiên đi đào tạo tại trường Hóa Mendeleev ở Liên Xô. Trong suốt những năm kháng chiến gian khổ và đi học nước ngoài, hành trang của Phạm Đồng Điện chỉ là hai bộ áo quần đựng trong chiếc ba lô nhỏ. Về nước năm 1956, ông lao vào nhiệm vụ mới, làm cán bộ giảng dạy rồi Chủ nhiệm khoa Hóa của trường Đại học Bách khoa mới thành lập. Từ đầu những năm 1960 đến năm 1980, ông là Phó hiệu trưởng, rồi Hiệu trưởng trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Cuốn học bạ của Giáo sư Phạm Đồng Điện năm nào ở trường Bưởi, bản thân ông cũng không được lưu giữ. Mãi đến năm 1975, khi vào tiếp quản miền Nam mới giải phóng, một người em họ của Giáo sư Phạm Đồng Điện trong lực lượng công an đã tình cờ phát hiện ra hồ sơ của anh mình tại trụ sở công an thuộc chính quyền Việt Nam cộng hòa. Thì ra, trong thời kháng chiến chống thực dân Pháp, Bộ Quốc phòng nước ta có 3-4 người được coi là “yếu nhân” về nghiên cứu vũ khí, trong đó có Giáo sư Phạm Đồng Điện. Người Pháp định tổ chức bắt cóc ông, nên họ thu thập tài liệu liên quan đến ông để tìm hiểu, trong đó có cuốn học bạ này. Người em họ kia đã đem cuốn học bạ về cho anh Điện. Nếu không có hoàn cảnh đặc biệt như thế, chắc rằng cuốn học bạ đã không tồn tại được qua những năm chiến tranh lâu dài và ác liệt.
Sau khi nhận lại cuốn học bạ thời học trường Bưởi của mình, Giáo sư Phạm Đồng Điện cất vào tủ cùng với các tập ảnh và những tài liệu ghi chép của ông. Kể từ khi ông qua đời (năm 2007), bà Lê Thị Minh Châu tiếp tục lưu giữ cuốn học bạ và đến tháng 10-2011 bà đã tặng tài liệu quý này cho Trung tâm Di sản các nhà khoa học Việt
