พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช เสด็จพระราชสมภพเมื่อวันจันทร์ ขึ้น ๑๒ ค่ำ เดือนอ้าย ปีเถาะ จุลศักราช ๑๒๘๙ รัตนโกสินทร์ศก ๑๔๖ ซึ่งตรงกับวันที่ ๕ ธันวาคม พ.ศ. ๒๔๗๐ ณ โรงพยาบาลเมานท์ ออเบิร์น (Mount Auburn) เมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซทท์ ประเทศสหรัฐอเมริกา ทรงเป็นพระโอรสองค์ที่ ๓ ในสมเด็จพระมหิตลาธิเบศรอดุลยเดชวิกรม พระบรมราชชนก และสมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี พระนามเดิมว่า พระวรวงศ์เธอพระองค์เจ้าภูมิพลอดุลยเดช ต่อมาใน พ.ศ. ๒๔๗๘ ได้เลื่อนพระฐานันดรศักดิ์เป็น พระเจ้าน้องยาเธอเจ้าฟ้าภูมิพลอดุลยเดช ทรงมีพระเชษฐภคนี ๑ พระองค์ และสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช ๑ พระองค์ ซึ่งมีพระนามเดิมและพระอิสริยยศต่อมาตามลำดับ ดังนี้

หม่อมเจ้าหญิงกัลยาณิวัฒนา ประสูติเมื่อวันที่ ๖ พฤษภาคม พ.ศ. ๒๔๖๖ ณ กรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ ทรงได้รับการสถาปนาเป็น พระวรวงศ์เธอพระองค์เจ้า ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวและทรงได้รับการสถาปนาพระฐานันดรศักดิ์เมื่อ พ.ศ. ๒๔๗๘ ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวอานันทมหิดล เป็น สมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอเจ้าฟ้ากัลยาณิวัฒนา ต่อมาในพ.ศ. ๒๕๓๘ พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ สถาปนาสมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ เจ้าฟ้ากัลยาณิวัฒนา ให้ทรงมีพระยศทรงกรมว่า กรมหลวงนราธิวาสราชนครินทร์

หม่อมเจ้าอานันทมหิดล ประสูติเมื่อวันที่ ๒๐ กันยายน พ.ศ. ๒๔๖๘ ณ เมืองไฮเดลเบิร์ก ประเทศเยอรมนี ทรงได้รับการสถาปนาเป็น พระวรวงศ์เธอพระองค์เจ้า ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว และเมื่อวันที่ ๒ มีนาคม พ.ศ. ๒๔๗๗ พระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงสละราชสมบัติ รัฐบาลจึงได้ทูลเชิญพระวรวงศ์เธอพระองค์เจ้าอานันทมหิดลเสด็จขึ้นครองราชย์สืบสันตติวงศ์เป็น พระมหากษัตริย์รัชกาลที่ ๘ แห่งพระบรมราชจักรีวงศ์ เมื่อวันที่ ๑๐ กรกฎาคม พ.ศ. ๒๔๗๘ ทรงพระปรมาภิไธยว่า พระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล จนกระทั่งเสด็จสวรรคตอย่างกะทันหัน เมื่อวันที่ ๙ มิถุนายน พ.ศ. ๒๔๘๙ ณ พระที่นั่งบรมพิมานในพระบรมมหาราชวัง

ใน พ.ศ. ๒๔๗๒ ในขณะที่พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงมีพระชนมพรรษาได้ ๒ พรรษา สมเด็จพระบรมราชชนกทรงพระประชวร และสิ้นพระชนม์เมื่อวันที่ ๒๔ กันยายน พ.ศ. ๒๔๗๒

ใน พ.ศ. ๒๔๗๕ พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงเจริญพระชนมพรรษาครบ ๕ พรรษา ได้เสด็จทรงเข้าศึกษาโรงเรียนมาแตร์เดอี กรุงเทพมหานคร เป็นเวลา ๑ ปี หลังจากนั้นได้เสด็จไปประทับ ณ เมืองโลซานน์ ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ พร้อมด้วยสมเด็จพระบรมราชชนนี สมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ และสมเด็จพระเชษฐาธิราช ทั้งนี้เนื่องจากสมเด็จพระเชษฐาธิราชไม่ทรงแข็งแรง จำเป็นต้องประทับในสถานที่ซึ่งอากาศดีและไม่ชื้น

สมเด็จพระเจ้าอยู่หัวได้ทรงเข้าศึกษาชั้นประถมศึกษา ณ โรงเรียนเอกอล เมียร์มอง (Ecole Mieremont) เมืองโลซานน์ พร้อมด้วยพระเชษฐภคินีและสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช เมื่อจบชั้นประถมศึกษาแล้วจึงทรงเข้าศึกษาชั้นมัธยมศึกษา ณ โรงเรียนเอกอล นูเวล เดอ ลาซืออิส โรมองต์ (Ecole Nouvelle de la Suisse Romande) เมืองแชลลี-ซูร โลซานน์ (Chailly-sur-Lausanne) เมื่อ พ.ศ. ๒๔๘๑ ทรงจบการศึกษาจากโรงเรียนยิมนาส คลาสสิค กังโตนาล (Gymnase Classique Cantonale) แห่งเมืองโลซานน์ ทรงได้รับประกาศนียบัตรทางอักษรศาสตร์ จากนั้นทรงเข้าศึกษาต่อในมหาวิทยาลัยโลซานน์ แผนกวิทยาศาสตร์

ต่อมาเมื่อวันที่ ๕ ธันวาคม พ.ศ. ๒๔๘๘ ได้เสด็จนิวัติประเทศไทยเป็นครั้งที่ ๒ โดยเสด็จพร้อมด้วยสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช หลังจากเคยเสด็จพระราชดำเนินเยือนประเทศไทยชั่วคราวครั้งที่ ๑ เมื่อ พ.ศ. ๒๔๘๑ จนกระทั่งเมื่อวันที่ ๙ มิถุนายน พ.ศ. ๒๔๘๙ พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวอานันทมหิดล สมเด็จพระบรมเชษฐาธิราชเสด็จสวรรคตโดยกะทันหัน คณะรัฐบาลไทยในขณะนั้นได้กราบบังคมทูลอัญเชิญสมเด็จพระเจ้าน้องยาเธอเจ้าฟ้า-ภูมิพลอดุลยเดช เสด็จขึ้นครองราชย์สืบสันตติวงศ์ต่อจากสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราชในวันเดียวกันนั่นเอง เนื่องจากพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวยังทรงมีพระราชภารกิจในการศึกษาต่อ จึงได้เสด็จพระราชดำเนินกลับประเทศสวิสเซอร์แลนด์ในเดือนมิถุนายนของปีนั้น รวมเวลาที่เสด็จประทับในประเทศได้ ๖ เดือน