พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช เสด็จพระราชสมภพในราชสกุลมหิดลอันเป็นสายหนึ่งในราชวงศ์จักรี ณ โรงพยาบาลเมาต์ออเบิร์นเมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซตส์ สหรัฐอเมริกา เมื่อวันจันทร์ เดือนอ้าย ขึ้น 12 ค่ำ ปีเถาะ นพศก จุลศักราช 1289 ตรงกับวันที่ 5 ธันวาคม พ.ศ. 2470 ซึ่งเหตุที่พระราชสมภพในสหรัฐอเมริกา เนื่องจากพระบรมราชชนกและพระบรมราชชนนีกำลังทรงศึกษาวิชาการอยู่ที่นั่น

พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชเป็นพระโอรสองค์ที่สามในสมเด็จเจ้าฟ้ามหิดลอดุลเดช กรมหลวงสงขลานครินทร์ (สมเด็จพระมหิตลาธิเบศร อดุลยเดชวิกรม พระบรมราชชนก ในกาลต่อมา) และหม่อมสังวาลย์ มหิดล ณ อยุธยา (สกุลเดิม ตะละภัฎ, สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี ในกาลต่อมา) มีพระนามเมื่อแรกประสูติอันปรากฏในสูติบัตรว่า เบบี สงขลา (อังกฤษ: Baby Songkla)^[16] ต่อมาคือ พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าภูมิพลอดุลเดชเมื่อได้รับพระราชทานนาม มีพระเชษฐภคินีและสมเด็จพระบรมเชษฐาธิราช 2 พระองค์ คือ สมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ เจ้าฟ้ากัลยาณิวัฒนา กรมหลวงนราธิวาสราชนครินทร์ และพระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล ซึ่งสมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี ทรงออกพระนามเรียกพระองค์เป็นการลำลองว่า "เล็ก"^[17][18]

พระนามภูมิพลอดุลเดชนั้นพระบรมราชชนนีได้รับพระราชทานทางโทรเลขจากพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว เมื่อวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2470 โดยทรงกำกับตัวสะกดเป็นอักษรโรมันว่า "Bhumibala Aduladeja" ทำให้สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนีทรงเข้าพระทัยว่าได้รับพระราชทานนามพระโอรสว่า "ภูมิบาล"^[17] ในระยะแรกพระนามของพระองค์สะกดเป็นภาษาไทยว่า "ภูมิพลอดุลเดช" ต่อมา พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดชเองทรงเขียนว่า "ภูมิพลอดุลยเดช" โดยทรงเขียนทั้งสองแบบสลับกันไป จนมาทรงนิยมใช้แบบหลังซึ่งมีตัว "ย" สะกดตราบปัจจุบัน^[17][19]