Là con trai thứ hai của vua James VI của Scotland và Anne của Đan Mạch, Charles chào đời ở Cung điện Dunfermline, Fife, ngày 19 tháng 11 năm 1600.[1] Trong một buổi lễ theo nghi thức Kháng Cách tại Nhà nguyện hoàng gia thuộc Cung điện Holyrood, Edinburgh ngày 23 tháng 12 năm 1600, ông được rửa tội bởi David Lindsay, Giám mục xứ Ross, và được tấn phong Công tước Albany, danh hiệu truyền thống được dành cho con trai thứ hai của nhà vua Scotland, cùng với các tước vị phụ như Hầu tước Ormond, Bá tước xứ Ross và Lãnh chúa Ardmannoch.[2]

James VI là cháu họ của Nữ hoàng Elizabeth I của Anh, và khi nữ hoàng chết không con cái vào tháng 3 năm 1603, ông ta trở thành Vua của Anh cùng vương hiệu James I. Charles là một đứa trẻ rất ốm yếu, và trong khi cha mẹ ông rời quê hương đến Anh vào tháng 4 và đầu tháng 6 năm đó, thì vì sức khỏe không cho phép,[3] ông vẫn ở Scotland cùng người bạn thân của phụ thân là Lãnh chúa Fyvie, người được tấn phong làm giám hộ của ông.[4]

Năm 1604, khi được 3 tuổi rưỡi, Charles có thể đi một vòng lớn quanh hội trường lớn ở Cung điện Dunfermline mà không cần người trợ giúp, cho nên ông được cho là đã có thể chịu được chuyến đi dài tới Anh quốc đoàn tụ với song thân. Giữa tháng 7 năm 1604, Charles rời Dunfermline đi đến Anh, nơi ông sống hết quãng đời còn lại.[5] Ở Anh, Charles ông được chăm sóc bởi Elizabeth, Lady Carey, vợ của bá tước Sir Robert Carey, người giúp ông cải thiện tình trạng sức khỏe vốn rất yếu ớt.[6] Ông chậm biết nói, và về sau nói ngập ngừng và nói ngọng, trong suốt quãng đời của mình.[7]

Tháng 1 năm 1605, Charles được tấn phong Công tước xứ York, danh hiệu truyền thống thường dành cho con trai thứ hai của nhà vua, và danh dự Hiệp sĩ xứ Bath.[8] Thomas Murray, một người Scots theo Giáo hội Trưởng lão, được cử làm gia sư của ông.[9] Charles học những môn học cổ điển, truyền thống thời bấy giờ như ngoại ngữ, toán và tôn giáo.[10] Năm 1611, ông được tấn phong Hiệp sĩ Garter.[11]

Cuối cùng, Charles dường như đã chiến thắng được bệnh tật,[11] có thể tình trạng yếu ớt của ông là do bệnh còi xương.[6] Ông trở thành một kĩ sĩ thành thục và một tay thiện xạ, có thể nhảy qua được hàng rào.[10] Tuy nhiên, hồ sơ công khai của ông vẫn ghi rằng ông vẫn chậm lớn và yếu ớt, trái ngược với hoàng huynh[lower-alpha 2] khỏe mạnh và to lớn, Henry Frederick, Hoàng tử xứ Wales, người Charles kính mến và cố gắng cạnh tranh.[12] Tuy nhiên, đầu tháng 11 năm 1612, Henry qua đời khi mới 18 tuổi do bệnh thương hàn (hoặc có thể là hội chứng porphyria).[13] Charles, chỉ còn 2 tuần nữa sẽ bước sang tuổi 12, trở thành thái tử nước Anh. Là con trai lớn nhất còn sống sót của quốc vương, Charles được phong một số danh hiệu (bao gồm Công tước Cornwall và Công tước Rothesay). Bốn năm sau, tháng 11 năm 1616, ông được tấn phong Hoàng tử xứ Wales và Bá tước Chester.[14]