สมเด็จพระเจ้าอยู่หัวมหาวชิราลงกรณ บดินทรเทพยวรางกูร เป็นพระราชโอรสพระองค์เดียวในพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช และสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ เสด็จพระราชสมภพ ณ พระที่นั่งอัมพรสถานพระราชวังดุสิต เมื่อวันจันทร์ที่ ๒๘ กรกฎาคม พุทธศักราช ๒๔๙๕ เวลา ๑๗ นาฬิกา ๔๕ นาที ตรงกับ วันจันทร์ ขึ้น ๖ ค่ำ เดือน ๙ ปีมะโรง จัตวาศก อธิกวาร จุลศักราช ๑๔๑๓ นับเป็นปีที่ ๗ แห่งการเสด็จขึ้นครองราชย์ของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ ๙

พระนามเดิมของพระองค์ เดิมว่า สมเด็จ พระเจ้าลูกยาเธอ เจ้าฟ้าวชิราลงกรณ บรมจักรยาดิศรสันตติวงศ เทเวศรธำรง สุบริบาล อภิคุณูประการมหิตลาดุลเดช ภูมิพลนเรศวรางกูร กิตติสิริสมบูรณ์สวางควัฒน์ บรมขัตติยราชกุมาร

พระองค์มีพระเชษฐภคินี คือ ทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดี และพระขนิษฐภคินีสองพระองค์คือ สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี และสมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี

เมื่อทรงเจริญพระชนมายุได้ ๑ พรรษา สมเด็จพระสังฆราชเจ้า กรมหลวงวชิรญาณวงศ์ ทรงตั้งพระนามถวาย ว่า

“สมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอ  เจ้าฟ้าวชิราลงกรณ
 บรมจักรยาดิศรสันตติวงศ  เทเวศรธำรงสุบริบาล
 อภิคุณูประการมหิตลาดุลเดช  ภูมิพลนเรศวรางกูร
 กิตติสิริสมบูรณ์สวางควัฒน์  บรมขัตติยราชกุมาร”

สมเด็จพระสังฆราชเจ้า กรมหลวงวชิรญาณวงศ์ ทรงอธิบายว่า เป็นพระมงคลนามตามพระราชตระกูล คือได้อัญเชิญพระนามฉายาในพระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหามกุฎพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ผู้ทรงเป็นพระไปยิกาธิราช ซึ่งปรากฏในขณะทรงพระผนวชว่า “วชิรญาณะ” ผนวกกับ “อลงกรณ์” จากพระนาม “จุฬาลงกรณ์” ของพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาจุฬาลงกรณ์พระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว