พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช เสด็จพระราชสมภพในราชสกุลมหิดลอันเป็นสายหนึ่งในราชวงศ์จักรี ณ โรงพยาบาลเมาต์ออเบิร์น เมืองเคมบริดจ์ มลรัฐแมสซาชูเซตส์ สหรัฐอเมริกา เมื่อวันจันทร์ เดือนอ้าย ขึ้น 12 ค่ำ ปีเถาะ นพศก จุลศักราช 1289 ตรงกับวันที่ 5 ธันวาคม พ.ศ. 2470 ซึ่งเหตุที่พระราชสมภพในสหรัฐอเมริกา เนื่องจากพระบรมราชชนกและพระบรมราชชนนีกำลังทรงศึกษาวิชาการอยู่ที่นั่น
พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชเป็นพระโอรสองค์ที่สามในสมเด็จเจ้าฟ้ามหิดลอดุลเดช กรมหลวงสงขลานครินทร์ (สมเด็จพระมหิตลาธิเบศร อดุลยเดชวิกรม พระบรมราชชนก ในกาลต่อมา) และสมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี ทรงมีพระนามขณะนั้นว่า พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าภูมิพลอดุลเดช ทรงมีพระเชษฐภคินีและสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช 2 พระองค์ คือ สมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ เจ้าฟ้ากัลยาณิวัฒนา กรมหลวงนราธิวาสราชนครินทร์ และพระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล ซึ่งสมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี ทรงออกพระนามเรียกพระองค์เป็นการลำลองว่า "เล็ก