ตั้งแต่ปี พุทธศักราช ๒๔๙๙ จนถึง พุทธศักราช ๒๕๐๕ สมเด็จพระเจ้าอยู่หัวมหาวชิราลงกรณ บดินทรเทพยวรางกูร ทรงสำเร็จการศึกษาขั้นต้นในระดับอนุบาล รุ่นที่ ๒ จากโรงเรียนจิตรลดา แล้วจึงเสด็จฯ ไปทรงศึกษาต่อในระดับประถมศึกษาที่โรงเรียนคิงส์มีด แคว้นซัสเซกส์ และศึกษาระดับมัธยมศึกษาที่โรงเรียนมิลฟิลด์ แคว้นซอมเมอร์เซทประเทศอังกฤษ ตั้งแต่ปี พุทธศักราช ๒๕๐๙ จนถึง พุทธศักราช ๒๕๑๓ หลังจากนั้น ทรงศึกษาต่อวิชาทหารที่โรงเรียนคิงส์สกูล ซิดนีย์ ประเทศออสเตรเลีย เสร็จแล้ว ทรงการศึกษาต่อในระดับปริญญาตรีสาขาอักษรศาสตร์ (ด้านการทหาร) จากมหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์ ประเทศออสเตรเลีย เมื่อ พุทธศักราช ๒๕๑๙

เมื่อนิวัติประเทศไทยทรงรับราชการทหารแล้วทรงศึกษาต่อที่โรงเรียนเสนาธิการทหารบก รุ่นที่ ๔๖ เมื่อปี พุทธศักราช ๒๕๒๐ ทรงเข้าศึกษาในสาขาวิชานิติศาสตร์ รุ่นที่ ๒ มหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราช เมื่อ พุทธศักราช ๒๕๒๕ ทรงสำเร็จการศึกษานิติศาสตรบัณฑิต (เกียรตินิยมอันดับ ๒)  และปี พุทธศักราช ๒๕๓๓ ทรงได้รับการศึกษา ณ วิทยาลัยป้องกันราชอาณาจักรแห่งสหราชอาณาจักร

พระองค์เคยตรัสว่า เคยประสบปัญหาผลการเรียนที่ไม่น่าพึงใจ อันเป็นผลจากการที่ทรงถูกเลี้ยงดูมาอย่างประคบประหงม