Cleopatra VII là thành viên của triều đại Ptolemaios người Hy Lạp Macedonia,[8][462][463][ghi chú 62] nguồn gốc châu Âu của họ bắt nguồn từ miền bắc Hy Lạp.[464] Thông qua cha mình, Ptolemaios XII Auletes, bà là hậu duệ của hai chiến hữu nổi tiếng của vua Alexandros Đại đế của Macedonia, bao gồm cả Ptolemaios I, người sáng lập nên Vương quốc Ai Cập và Seleukos I Nikator, người sáng lập nên vương quốc Seleukos ở Tây Á.[8][465][466][ghi chú 63] Trong khi tổ tiên bên nội của Cleopatra có thể truy tìm được thông qua cha bà, danh tính của mẹ bà không được biết rõ.[467][468][469][ghi chú 64] Bà có có thể là con gái của Cleopatra VI Tryphaena (còn được gọi là Cleopatra V Tryphaena),[ghi chú 3] một người có thể là em họ[470] hoặc thậm chí là em gái của cha bà–Ptolemaios XII.[35][468][471][ghi chú 65]

Cleopatra là thành viên duy nhất của vương triều Ptolemaios mà được biết đến là có một vài tổ tiên không phải là người Hy Lạp, vì bà là hậu duệ của Apama, người vợ người Ba Tư đến từ Sogdia của Seleukos I.[472][473][ghi chú 66] Người ta thường tin rằng các thành viên nhà Ptolemaios không kết hôn với người Ai Cập bản địa.[44][474][ghi chú 67] Michael Grant khẳng định rằng chỉ có một người tình người Ai Cập duy nhất và không có bất cứ người vợ người Ai Cập của một vị vua Ptolemaios được biết đến, tiếp tục tranh luận rằng Cleopatra không hề mang một giọt máu Ai Cập nào và đã tự xem mình như là một người Hy Lạp.[472][ghi chú 68] Stacy Schiff viết rằng Cleopatra là một người Hy Lạp với chút ít dòng dõi Ba Tư và cho rằng hiếm khi một vị vua Ptolemaios có một người tình người Ai Cập bản địa.[475][ghi chú 69] Trong khi đó, Roller lại khẳng định rằng Cleopatra có thể là con gái của một người phụ nữ Hy Lạp Macedonia lai Ai Cập thuộc một gia đình làm thầy tư tế cúng thần Ptah (một giả thuyết không được chấp nhận trong rộng rãi về Cleopatra).[ghi chú 70] Tuy nhiên, phải lưu ý rằng, dù bà có là hậu duệ ai đi chăng nữa, thì bà vẫn coi trong di sản Ptolemaios Hy Lạp của bà nhiều nhất.[476][ghi chú 71]

Những lời xác nhận cho rằng Cleopatra VII là con ngoài giá thú chưa bao giờ xuất hiện trong bât kỳ tuyên truyền La Mã nào chống lại bà.[477][478][ghi chú 72] Strabo là nhà sử học đại duy nhất thời cổ đã tuyên bố rằng những người con của Ptolemaios XII sinh ra sau Berenice IV, bao gồm cả Cleopatra VII, đều là con ngoài giá thú.[477][478][479] Vợ của Ptolemaios XII, Cleopatra V (hoặc VI) đã bị trục xuất khỏi triều đình của ông vào cuối năm 69 TCN, một vài tháng sau khi Cleopatra VII được sinh ra, trong khi ba đứa con khác nhỏ tuổi hơn của Ptolemaios XII được sinh ra trong sự vắng mặt của vợ.[38] Mức độ hôn nhân cận huyết cao của gia tộc Ptolemaios cũng được minh hoạ bởi những tổ tiên trực tiếp Cleopatra và sẽ được tái dựng lại cây phả hệ ở dưới.[ghi chú 73] Cây phả hệ ở dưới liệt kê Cleopatra V, vợ của Ptolemaios XII, là con gái của Ptolemaios X và Berenice III, qua đó khiến bà vừa trở thành là em con chú vừa là cháu gái của chồng mình. Tuy nhiên, Cleopatra V cũng có thể là con gái Ptolemaios IX, qua đó khiến bà trở thành em gái ruột của chính chồng mình.[470] Những thông tin bị nhầm lẫn trong các tài liệu cổ đã khiến các học giả đánh gọi vợ của Ptolemaios XII là Cleopatra V hoặc Cleopatra VI. Người thứ hai có thể trên thực tế là một cô con gái của Ptolemaios XII và thường được một số người sử dụng như là một dấu hiệu cho thấy rằng Cleopatra V thực chất đã qua đời vào năm 69 TCN thay vì bỗng nhiên xuất hiện vào năm 58 TCN sau nhiều năm mất tích và nắm quyền đồng trị vị cùng cô con gái là Berenice IV (lúc mà Ptolemaios XII phải lưu vong tại Roma).[480][55]