ทรงเป็นพระมหากษัตริย์ลำดับที่เก้าแห่งราชวงศ์จักรี เสด็จขึ้นครองราชสมบัติตั้งแต่วันที่ 9 มิถุนายน 2489 จึงเป็นพระมหากษัตริย์ผู้เสวยราชย์นานที่สุดในโลก และยาวนานที่สุดในประเทศไทยครั้งทรงพระเยาว์
พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว เสด็จพระราชสมภพในราชสกุลมหิดลอันเป็นสายหนึ่งในราชวงศ์จักรี ณ โรงพยาบาลเมาต์ออเบิร์น เมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซตส์ สหรัฐอเมริกา เมื่อวันจันทร์ เดือนอ้าย ขึ้น 12 ค่ำ ปีเถาะ นพศก จุลศักราช 1289 ตรงกับวันที่ 5 ธันวาคม 2470 ด้วยขณะนั้นสมเด็จพระบรมราชชนกและสมเด็จพระบรมราชชนนีกำลังทรงศึกษาวิชาการอยู่ที่สหรัฐอเมริกาทรงเป็นพระโอรสองค์ที่สาม ในสมเด็จเจ้าฟ้ามหิดลอดุลเดช กรมหลวงสงขลานครินทร์ (สมเด็จพระมหิตลาธิเบศร อดุลยเดชวิกรม พระบรมราชชนก ในกาลต่อมา)และหม่อมสังวาลย์ มหิดล ณ อยุธยา(สกุลเดิมตะละภัฏ, สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนีในกาลต่อมา) มีพระนามเมื่อแรกประสูติอันปรากฏในสูติบัตรว่า เบบีสงขลา (อังกฤษ: Baby Songkla) ต่อมาได้รับพระราชทานพระนามว่า พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าภูมิพลอดุลเดช ซึ่งสมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนีทรงออกพระนามเรียกพระองค์เป็นการลำลองว่า "เล็ก" ทรงมีสมเด็จพระเชษฐภคินีและสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช 2 พระองค์คือ สมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ เจ้าฟ้ากัลยาณิวัฒนา กรมหลวงนราธิวาสราชนครินทร์ และพระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดลพระนาม ภูมิพลอดุลเดช นั้น สมเด็จพระบรมราชชนนีได้รับพระราชทานทางโทรเลขจากพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว เมื่อวันที่ 14 ธันวาคม 2470 โดยทรงกำกับตัวสะกดเป็นอักษรโรมันว่า "Bhumibala Aduladeja" ทำให้สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนีเข้าพระทัยว่าได้รับพระราชทานนามพระโอรสว่า "ภูมิบาล" ในระยะแรกพระนามของพระองค์สะกดเป็นภาษาไทยว่า "ภูมิพลอดุลเดช" ต่อมาพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช ทรงเขียนว่า "ภูมิพลอดุลยเดช" โดยทรงเขียนทั้งสองแบบสลับกันไปจนมาทรงนิยมใช้แบบหลังซึ่งมีตัว "ย" ตราบปัจจุบันเมื่อพ.ศ.2471 ได้เสด็จพระราชดำเนินกลับประเทศไทยพร้อมสมเด็จพระบรมราชชนก ซึ่งทรงสำเร็จการศึกษาปริญญาแพทยศาสตรบัณฑิตเกียรตินิยมจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด สหรัฐอเมริกา พร้อมด้วยสมเด็จพระบรมราชชนนี สมเด็จพระเชษฐภคินี และสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช โดยประทับ ณ วังสระปทุม ต่อมาวันที่ 24 กันยายน 2472 สมเด็จพระบรมราชชนกเสด็จสวรรคตขณะที่พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงมีพระชนมพรรษาไม่ถึง 2 พรรษาการศึกษา
พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงเข้าศึกษาที่โรงเรียนมาแตร์เดอีวิทยาลัย เมื่อทรงพระชนมพรรษาได้ 4 พรรษา ครูประจำชั้นของพระองค์เป็นนางชีคาทอลิกคณะอุรุสิลิน(เซนต์เออร์ชูล่า) ชื่อ ซิสเตอร์มารี เซเวียร์ กล่าวไว้ว่า "ฉันจะไม่มีวันลืมเจ้านายพระองค์น้อยที่เฉลียวฉลาดและทรงมีจิตใจดีอย่างเหลือเชื่อ ซึ่งเสด็จมาทรงเข้าชั้นเรียนร่วมกับเด็กๆ ชาวไทยคนอื่นเลย แม้วันแรกๆ ที่เสด็จมาโรงเรียนยังสังเกตเห็นได้ว่า ทรงมีพรสวรรค์ทางดนตรี แต่ก็ทรงเรียนวิชาอื่นๆ อย่างสบาย ทรงกระตือรือร้นสนพระทัยและเอาพระทัยใส่ในทุกสิ่งรอบพระองค์"จนถึงเดือนพฤษภาคม 2476 จึงเสด็จพระราชดำเนินไปประทับ ณ เมืองโลซาน ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ พร้อมด้วยสมเด็จพระบรมราชชนนี สมเด็จพระเชษฐภคินี และสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช เพื่อการศึกษาและพระพลานามัยของสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช จากนั้นทรงเข้าศึกษาต่อชั้นประถมศึกษา ณ โรงเรียนเมียร์มองต์ เมืองโลซาน ในเดือนกันยายน พ.ศ.2477 เป็นเวลา 2 ปี ก่อนที่จะทรงเข้าศึกษาที่โรงเรียนแห่งใหม่ ณ เมืองไชยี โดยทรงเป็นนักเรียนไปมาก่อนในตอนแรก แล้วจึงทรงเป็นนักเรียนประจำที่ได้กลับบ้านเสาร์อาทิตย์ ซึ่งโรงเรียนดังกล่าวอยู่ใกล้เมืองโลซาน
พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงศึกษาภาษาฝรั่งเศส ซึ่งเป็นภาษาของทวีปยุโรปที่ทรงถนัดที่สุด ส่วนภาษาอังกฤษนั้นทรงเรียนในภายหลังต่อมา สำหรับภาษาไทยทรงมีพระอาจารย์ถวายการสอนเป็นพิเศษที่ที่ประทับ ขณะพระชนมพรรษา 8 พรรษา ทรงได้รับอนุญาตให้ทรงจักรยานไปโรงเรียนและทรงเรียนดนตรีได้ ซึ่งสมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ เจ้าฟ้ากัลยาณิวัฒนา กรมหลวงนราธิวาสราชนครินทร์ ทรงเล่าว่า "ทรงมีพระกระแสเสียงใสมาก"จากนั้นทรงศึกษาวิชาภาษาฝรั่งเศสภาษาเยอรมันและภาษาอังกฤษ แล้วทรงเข้าศึกษาชั้นมัธยมศึกษา ณ "โรงเรียนแห่งใหม่ของซืออีสโรมองด์" (ฝรั่งเศส: cole Nouvelle de la Suisse Romande,เอกอลนูแวลเดอลาซืออีสโรมองด์) เมืองแชลลี-ซูร์-โลซาน (ฝรั่งเศส: Chailly-sur-Lausanne)