Luyten nació en las Indias Orientales Neerlandesas, donde su padre trabajaba como profesor de francés.

Luyten poseía una facilidad pasmosa para aprender idiomas, y se podía expresar hasta en nueve diferentes.

En 1912 se mudó junto con su familia a los Países Bajos, donde estudió astronomía en la Universidad de Ámsterdam.

Fue el primer estudiante en conseguir un doctorado, a los 22 años, con Ejnar Hertzsprung en la Universidad de Leiden.

En 1921 marchó hacia los Estados Unidos, donde trabajó en el Observatorio Lick.