پدربزرگ مادری خواجه، یعنی «عبدالله بن حمزه» که او هم مانند نوه دختری‌اش به نصیرالدین مشهور بود، از علمای بزرگ شیعه در قرن ششم هجری قمری محسوب می‌شود که مدت‌ها در مجاورت حرم رضوی مجلس درس و بحث داشت و شاگردان زیادی از محضر وی استفاده می‌کردند. 

علاقه‌مند به تقریب
با وجود بالا گرفتن برخی تعصبات مذهبی در دوره سلجوقیان و کم شدن روابط میان دانشمندان و علمای مذاهب اسلامی، هنوز بزرگانی بودند که در مسیر تلاش برای گفت‌وگو و به اصطلاح امروز، تقریب گام برمی‌داشتند. هدف اصلی آن‌ها از این اقدام، اولاً افزایش اطلاعات و ذخایر ارزشمند دینیِ خود و ثانیاً ایجاد وفاق و کاستن از تنش‌هایی بود که جامعه اسلامی را گرفتار نزاع‌های طاقت‌فرسا و خسارت‌بار می‌کرد. پدربزرگ خواجه نصیرالدین طوسی در زمره همین بزرگان و دانشمندان قرار داشت. او با علمای نامدار اهل‌ سنت مانند امام فخر رازی که فقیه و متکلم بزرگ شافعی مذهب بود، به بحث و گفت‌وگوی علمی می‌نشست. دانش بالای عبدالله بن حمزه سبب علاقه و احترام فخر رازی نسبت به او شد و نام این دانشمند شیعی را بر سر زبان علمای دیگر مذاهب اسلامی انداخت. جلسات بحث میان این دو احتمالاً در طوس منعقد می‌شده‌ است. عبدالله بن حمزه به دلیل احاطه‌اش بر دانش حدیث و تسلطی که بر علوم عقلی داشت، مجلس درس خود را ابتدا در طوس و سپس در مشهد برپا کرد. مشهور است که در اواخر عمر عبدالله، خواجه نصیرالدین طوسی یکی از شاگردان محفل درس پدربزرگش بوده ‌است.

تهدید غوریان بر سر مشهدالرضا(ع)
غوریان دودمانی ایرانی‌نژاد و فارسی‌زبان بودند که بین سال‌های 536 تا 585 خورشیدی (حدود نیم قرن) با مرکزیت منطقه غور که امروزه در کشور افغانستان قرار دارد، بر بخش‌هایی از ایران شرقی و شمال هندوستان حکومت کردند. در زمان حکومت شراکتی دو برادر از این خاندان به نام‌های شهاب‌الدین و غیاث‌الدین، حوزه قدرت غوریان به غرب خراسان امروزی هم کشیده شد و به این ترتیب، مشهد هم جزئی از قلمرو آن‌ها گردید. این زمان مصادف با زندگی و فعالیت‌های علمی عبدالله به حمزه، پدربزرگ خواجه نصیرالدین طوسی در مشهد است. در سال 579 خورشیدی، سپاه غوری به قصد فتح طوس و نیشابور وارد خراسان شد. حمله غوریان به طوس و فتح آن موجب بروز اضطراب بیشتر در میان مردم مشهد و مجاوران حرم رضوی شد؛ به ویژه آنکه مشهد در آن زمان، برج و باروی درست و حسابی نداشت و تنها دیواری نه چندان استوار، در دوره سلطان سنجر سلجوقی و با همت برادران کاکویه، گرداگرد بخشی از مشهد و حرم مطهر را فرا گرفته بود که نمی‌شد برای دفاع به آن اطمینان کرد.
​​​​​​​
دفاع عالمانه
درست در همین زمان بود که خبر رسید، امیر غوری قصد دارد راهی مشهد شود و ظاهراً به زیارت حرم رضوی برود. مشهدی‌ها دست به دامان عبدالله بن حمزه شدند و او ضمن دلداری آن‌ها، قول داد از هیچ کوششی برای دفاع از شهر و حفاظت از حریم حرم کوتاهی نکند. طبق گزارش «ابن‌اثیر» در کتاب «الکامل»، هنگام ورود غیاث‌الدین و شهاب‌الدین غوری به مشهد، امام فخر رازی نیز همراه آن‌ها بود. این مسئله، عبدالله بن حمزه را امیدوار کرد که بتواند از روابط دوستانه و عالمانه خود با فخر رازی، برای رفع نگرانی مردم مشهد استفاده کند. اتفاقاً بدون اینکه عبدالله حرفی بزند، این اتفاق افتاد. به دستور برادران غوری، مجلس بحث علمی در مشهد برگزار شد. علمای شیعه مشهد و در رأس آن‌ها، عبدالله بن حمزه نیز به جلسه دعوت شدند. در بین طرح مسائل علمی، امیر غوری به موضوع «جفر» و برخی مسائل علمی مربوط به آن علاقه‌ پیدا کرد. فخر رازی که از تسلط عبدالله بن حمزه در این حوزه آگاه بود، پیشنهاد داد وی در این ‌باره برای جمع صحبت کند. کلام فصیح و دانش گسترده عالم شیعه، چنان جلسه را تحت تأثیر قرار داد که موجب تشویق و تحسین فراوان امیران غوری و دانشمندان دیگر مذاهب اسلامی حاضر در جلسه شد. به این ترتیب امیر غوری، عبدالله بن حمزه را با احترام روانه منزل کرد و دستور داد لشکریانش بدون تعرض به مجاوران حرم رضوی، آماده حرکت به سمت نیشابور شوند. عبدالله بن حمزه در کتاب‌های رجالی شیعه، به بزرگی و دانش ستوده شده ‌است؛ از جمله علامه حلی و شیخ منتجب‌الدین رازی (نواده شیخ صدوق)، او را محدثی امین و قابل اعتماد دانسته‌اند. عبدالله در زمان حیات خود به ری، اصفهان و کاشان سفر کرد و در این مناطق به کسب علم و آموختن حدیث پرداخت. سال درگذشت وی به درستی معلوم نیست، اما با توجه به علم‌آموزی نوه‌اش در محضر او، احتمالاً تا حدود سال 600 خورشیدی و پیش از حمله مغولان در قید حیات بوده‌ است.