พลเอก ประยุทธ์ จันทร์โอชา เกิดวันที่ 21 มีนาคม 2497 ที่จังหวัดนครราชสีมา เป็นบุตรชายของ พันเอก (พิเศษ) ประพัฒน์ กับเข็มเพชร จันทร์โอชา มารดารับราชการครู มีชื่อเล่นว่า "ตู่" สื่อมวลชนนิยมเรียกว่า "บิ๊กตู่" เป็นบุตรชายคนโตจากพี่น้องทั้งหมดสี่คน หนึ่งในน้องชายคือ พลเอก ปรีชา จันทร์โอชา ผู้ช่วยผู้บัญชาการทหารบก
ในคอลัมน์ "เรียนดี" นิตยสารชัยพฤกษ์ เมื่อปี 2512 เขียนว่า ประยุทธ์มีอุปนิสัยที่เงียบขรึม ด้วยความที่เป็นพี่ชายคนโตจึงต้องทำตัวเป็นพี่ที่ดี ในวัยเยาว์เขาเป็นคนเรียนเก่งมีความถนัดและความชอบในวิชาคณิตศาสตร์, ภาษาอังกฤษ และวิทยาศาสตร์ จากการสนับสนุนของบิดามารดา ชีวิตส่วนตัวสมรสกับ รองศาสตราจารย์นราพร จันทร์โอชา รองประธานมูลนิธิการศึกษาทางไกลผ่านดาวเทียม มีบุตรสาวฝาแฝด 2 คน