Bằng Kiều là con trai út của người vợ thứ ba trong một đại gia đình có truyền thống nghệ thuật, gồm một người cha và 3 bà mẹ với 16 anh chị ruột thịt. Mẹ Bằng Kiều là nghệ sĩ cải lương và chèo Lưu Nga, cha anh là bác sĩ Nguyễn Bằng Bùi nhưng ông cũng tham gia nghệ thuật rất hăng say. Gia đình dòng họ Nguyễn Bằng của anh sinh sống ở căn gác nhỏ nằm ở Ngô Sĩ Liên tại Hà Nội. Anh sinh ra trong những ngày khó khăn, cha làm ở bệnh viện, mẹ bán phở và diễn chèo, đàn hát. Khi bộc lộ tài năng, anh được cả nhà dành tiền đầu tư cho học nhạc và đeo đuổi sự nghiệp.[5] Bằng Kiều có hai người anh trai được tặng danh hiệu Nghệ sĩ ưu tú.[6]

Bằng Kiều cho biết mẹ anh hồi mang thai nằm mơ nhặt được anh ở cầu Xà Kiều (nằm ở xã Quảng Phú Cầu, Ứng Hòa, Hà Tây) (nay thuộc Hà Nội) nên đã đặt cho cái tên Bằng Kiều. Khoảng thời gian lúc bắt đầu đi hát, Bằng Kiều tâm sự rằng đã "khổ sở vì cái tên hơi quê", nhưng sau lại thích vì "thấy tên mình độc".[1]