พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชมหิตลาธิเบศรรามาธิบดีจักรีนฤบดินทรสยามินทรทราธิราชบรมนาถบพิตรเสด็จพระราชสมภพในราชสกุลมหิดลอันเป็นสายหนึ่งในราชวงศ์จักรี ณ โรงพยาบาลเมาต์ออเบิร์น เมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซตส์ สหรัฐอเมริกา เมื่อวันจันทร์ เดือนอ้าย ขึ้น 12 ค่ำ ปีเถาะ นพศก จุลศักราช 1289 ตรงกับวันที่ 5 ธันวาคม พ.ศ. 2470 ซึ่งเหตุที่พระราชสมภพในสหรัฐอเมริกา เนื่องจากพระบรมราชชนกและพระบรมราชชนนีกำลังทรงศึกษาวิชาการอยู่ที่นั่น
เมื่อ พ.ศ. 2471 ได้เสด็จกลับสู่ประเทศไทยพร้อมพระบรมราชชนก ซึ่งทรงสำเร็จการศึกษาปริญญาแพทยศาสตรบัณฑิตเกียรตินิยมจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด สหรัฐอเมริกา พร้อมด้วยสมเด็จพระบรมราชชนนี สมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ และสมเด็จพระเชษฐาธิราช โดยประทับ ณ วังสระปทุม ต่อมาวันที่ 24 กันยายน พ.ศ. 2472 สมเด็จพระบรมราชชนกสวรรคต ขณะที่พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวมีพระชนมายุไม่ถึงสองพรรษา
พ.ศ. 2475 เมื่อเจริญพระชนมายุได้สี่พรรษา เสด็จเข้าศึกษาที่โรงเรียนมาแตร์เดอี จนถึงเดือนพฤษภาคม 2476 จึงเสด็จพระราชดำเนินไปประทับ ณ เมืองโลซาน ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ พร้อมด้วยพระบรมราชชนนีพระเชษฐภคินี และสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช เพื่อการศึกษาและพระพลานามัยของสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช จากนั้นทรงเข้าศึกษาต่อชั้นประถมศึกษา ณ โรงเรียนเมียร์มองต์ เมืองโลซาน ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2477 ทรงศึกษาวิชาภาษาฝรั่งเศส ภาษาเยอรมัน และภาษาอังกฤษ แล้วทรงเข้าชั้นมัธยมศึกษา ณ "โรงเรียนแห่งใหม่ของซืออีสโรมองด์
เมื่อพระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอานันทมหิดล สมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช เสด็จขึ้นครองราชสมบัติเป็นพระมหากษัตริย์รัชกาลที่ 8 แห่งราชวงศ์จักรี พระองค์ก็ได้รับการสถาปนาฐานันดรศักดิ์เป็น "สมเด็จพระเจ้าน้องยาเธอ เจ้าฟ้าภูมิพลอดุลเดช" เมื่อวันที่ 10 กรกฎาคม พ.ศ. 2478
ปี พ.ศ. 2488 ทรงรับประกาศนียบัตรทางอักษรศาสตร์ จากโรงเรียนยิมนาส คลาซีค กังโตนาล แล้วทรงเข้าศึกษาต่อ ณ มหาวิทยาลัยโลซาน แผนกวิทยาศาสตร์
หลังจากที่จบการศึกษาจากสวิตเซอร์แลนด์ พระองค์เสด็จไปเยือนกรุงปารีส ทรงพบกับหม่อมราชวงศ์สิริกิติ์ กิติยากร ซึ่งเป็นลูกสาวของเอกอัครราชทูตไทยประจำฝรั่งเศส เป็นครั้งแรก[27] ในขณะนี้ ทั้งสองพระองค์มีพระชนมายุ 21 พรรษาและ 15 พรรษาตามพระลำดับ
เมื่อวันที่ 3 ตุลาคม พ.ศ. 2491 ในระหว่างเสด็จประทับยังต่างประเทศ ขณะที่พระองค์ทรงขับรถยนต์พระที่นั่งเฟียส ทอปอลิโน จากเจนีวาไปยังโลซาน ทรงประสบอุบัติเหตุทางรถยนต์ กล่าวคือ รถยนต์พระที่นั่งชนกับรถบรรทุกอย่างแรง ทำให้เศษกระจกกระเด็นเข้าพระเนตรขวา พระอาการสาหัส หลังการถวายการรักษา พระองค์มีพระอาการแทรกซ้อนบริเวณพระเนตรขวา แพทย์จึงถวายการรักษาอย่างต่อเนื่องหลายครั้ง หากแต่พระอาการยังคงไม่ดีขึ้น กระทั่งวินิจฉัยแล้วว่าพระองค์ไม่สามารถทอดพระเนตรผ่านทางพระเนตรขวาของพระองค์เองได้ต่อไปแล้ว จึงได้ถวายการแนะนำให้พระองค์ทรงพระเนตรปลอมในที่สุด
ทั้งนี้ หม่อมราชวงศ์สิริกิติ์ ได้มีโอกาสเข้าเฝ้าเยี่ยมพระอาการเป็นประจำจนกระทั่งหายจากอาการประชวร อันเป็นเหตุที่ทำให้ทั้งสองพระองค์มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา
วันที่ 9 มิถุนายน พ.ศ. 2489 พระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดลเสด็จสวรรคตอย่างกะทันหัน ณ พระที่นั่งบรมพิมาน ภายในพระบรมมหาราชวัง ในวันเดียวกันนั้นเอง รัฐสภาได้ลงมติเป็นเอกฉันท์ในการที่จะอัญเชิญพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช ซึ่งเป็นพระอนุชาร่วมพระราชชนนีในพระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล ขึ้นทรงราชย์สืบราชสันตติวงศ์ต่อไป
ทรงหมั้นกับหม่อมราชวงศ์สิริกิติ์ กิติยากร เมื่อวันที่ 19 กรกฎาคม พ.ศ. 2492
พระราชพิธีราชาภิเษกสมรณส วันที่ 28 เมษายน 2493
พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชและสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถมีพระราชโอรสและพระราชธิดาด้วยกันสี่พระองค์ตามลำดับดังต่อไปนี้
- ทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดี ประสูติ: 5 เมษายน พ.ศ. 2494
- ทรงสมรสกับนายปีเตอร์ เจนเซ่น ชาวอเมริกัน โดยมีพระโอรสหนึ่งองค์และพระธิดาสององค์
- สมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิราลงกรณ สยามมกุฎราชกุมาร ประสูติ: 28 กรกฎาคม พ.ศ. 2495
- ทรงอภิเษกสมรสกับ
- พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าโสมสวลี พระวรราชาทินัดดามาตุ
- นางสุจาริณี วิวัชรวงศ์
- พระเจ้าวรวงศ์เธอพระองค์เจ้าศรีรัศมิ์
- สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดา เจ้าฟ้ามหาจักรีสิรินธร รัฐสีมาคุณากรปิยชาติ สยามบรมราชกุมารีประสูติ: 2 เมษายนพ.ศ. 2498
- สมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี ประสูติ: 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2500
- ทรงอภิเษกสมรสกับนาวาอากาศเอก วีระยุทธ ดิษยะศริน โดยมีพระธิดาสองพระองค์
