贞观年间，杜正伦被唐太宗选为东宫辅臣，教导太子李承乾。他出入于皇帝所在的太极宫与太子所在的东宫，参与机密，以干练著称。担任宰相后，杜正伦又上疏高宗，建议精简入流品官。
父亲：杜子裕，曾任乐陵县令。兄长：杜正玄，曾任豫章王记室。兄长：杜正藏，曾任行军长史。兄弟：杜正仪。兄弟：杜正德。嗣子：杜志静，杜正藏之子，官至安福县令，袭爵襄阳县公。
杜正伦出身洹水杜氏，与京兆杜氏同出一祖，但支系较远。他曾请求与京兆杜氏连宗，却被拒绝，便怀恨在心。京兆杜氏聚居处名为杜固，相传有旺盛发达的地气，因此世代高门。杜正伦拜相后，以疏通水道为名建议朝廷开凿杜固，想借此破坏杜固的风水。杜固被凿后，川流如血，十日方止，从此南杜（北杜居于杜曲）一蹶不振。
早年经历杜正伦在隋朝仁寿年间与兄长杜正玄、杜正藏一同考中秀才。他善写文章，精通佛典，后被授为羽骑尉。隋代仅有秀才十余人，而杜家却一门三秀才，因此受到时人称道。唐朝武德年间，杜正伦担任齐州总管府录事参军，后被秦王李世民（即后来的唐太宗）招纳，进入秦王府文学馆。累职升迁贞观元年（627年），尚书右丞魏徵上表举荐杜正伦，称其才能古今无比。唐太宗遂擢升杜正伦为兵部员外郎，并对他道：“我让大臣推荐行能出众之人，并不是我偏爱这种人，而是因为他们对百姓有益处。而对于宗室勋臣中品行才干不佳的人，我绝对不会任用他们。我现在任用你，是因你忠诚正直，希望你能称职。”贞观二年（628年），杜正伦又改任给事中，负责记载《起居注》。