สมเด็จพระเจ้าอยู่หัวมหาวชิราลงกรณ บดินทรเทพยวรางกูร ทรงเป็นพระราชโอรสในพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช และสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ ในรัชกาลที่ ๙ เสด็จพระราชสมภพ ณ พระที่นั่งอัมพรสถาน พระราชวังดุสิต เมื่อวันจันทร์ที่ 28 กรกฎาคม พ.ศ. 2495 ทรงมีพระเชษฐภคินี คือ ทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดี และพระขนิษฐภคินีสองพระองค์คือ สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี และสมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี

ทรงเข้าศึกษาชั้นอนุบาล ณ โรงเรียนจิตรลดา ระดับประถมศึกษาที่โรงเรียนคิงสมีด และระดับมัธยมศึกษาที่โรงเรียนมิลล์ฟิลด์ ประเทศอังกฤษ หลังจากนั้นทรงเข้ารับการศึกษาระดับเตรียมทหารที่โรงเรียนคิงส์ และวิทยาลัยการทหารชั้นสูงที่วิทยาลัยการทหารดันทรูน ทรงสำเร็จการศึกษาปริญญาอักษรศาสตรบัณฑิต (การศึกษาด้านการทหาร) คณะการศึกษาด้านการทหาร มหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลล์ ประเทศออสเตรเลีย จากนั้นทรงเข้ารับการศึกษาที่โรงเรียนเสนาธิการทหารบก ทรงศึกษาด้านกฏหมาย ทรงได้รับปริญญานิติศาสตรบัณฑิตจากมหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราช และได้ทรงเข้ารับการศึกษา ณ วิทยาลัยป้องกันราชอาณาจักร แห่งสหราชอาณาจักร นอกจากนี้พระองค์ได้ทรงรับการฝึกอบรมหลักสูตรทางการทหารและการบินอีกด้วย

วันที่ 28 ธันวาคม พ.ศ. 2515 พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ตั้งการพระราชพิธีสถาปนาเฉลิมพระนามาภิไธยให้ดำรงพระอิสริยยศ “สมเด็จพระบรมโอรสาธิราช สยามมกุฎราชกุมาร” ปรากฏพระนามตามจารึกพระสุพรรณบัฏว่า "สมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิราลงกรณ บดินทรเทพยวรางกูร สิริกิติยสมบูรณสวางควัฒน์ วรขัตติยราชสันตติวงศ์ มหิตลพงศอดุลยเดช จักรีนเรศยุพราชวิสุทธ สยามมกุฎราชกุมาร"

วันที่ 1 ธันวาคม พ.ศ. 2559 นายพรเพชร วิชิตชลชัย ประธานสภานิติบัญญัติแห่งชาติ (สนช.) พล.อ.เปรม ติณสูลานนท์ ผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ พล.อ.ประยุทธ์ จันทร์โอชา นายกรัฐมนตรี และนายวีระพล ตั้งสุวรรณ ประธานศาลฎีกา เข้าเฝ้าฯ กราบบังคมทูลเชิญสมเด็จพระบรมโอรสาธิราชฯ สยามมกุฎราชกุมาร ขึ้นทรงราชย์ เป็นพระมหากษัตริย์ สืบราชสันตติวงศ์