Grace Patricia Kelly sinh ra tại Bệnh viện Đại học Hahnemann ở Philadelphia, Pennsylvania, là con thứ 3 trong gia đình giàu có và có sức ảnh hưởng.[3] Cha là John B. Kelly Sr. (1889–1960), người gốc Ai-len[4] từng đạt 3 huy chương vàng Olympic môn đua thuyền và sở hữu một công ty thầu cung ứng gạch xây dựng, làm ăn phát đạt có tiếng ở bờ Đông nước Mỹ. Là một thành viên của Đảng Dân chủ, ông được đề cử tranh chức thị trưởng của Philadelphia trong cuộc bầu cử năm 1935 nhưng thua đối thủ với tỉ lệ phiếu bầu sít sao nhất trong lịch sử thành phố. Trong những năm sau này, ông làm việc tại Ủy ban Fairmount Park và trong thời Thế chiến thứ hai được Tổng thống Franklin D. Roosevelt bổ nhiệm vào vị trí Giám đốc Thể dục thể thao Quốc gia. Hai người anh em của ông cũng được chú ý: Walter C. Kelly (1873–1939) là một ngôi sao nhạc kịch từng làm phim với Metro-Goldwyn-Mayer và Paramount Pictures, còn George Kelly (1887–1974) là đạo diễn, biên kịch từng thắng một giải biên kịch xuất sắc Pulitzer.[5]

Mẹ của Grace Kelly là Margaret Katherine Majer (1898–1990); thuộc gia đình người Đức định cư ở Pennsylvania.[6][7] Bà Margaret giảng dạy bộ môn giáo dục thể chất tại Đại học Pennsylvania, người phụ nữ đầu tiên tham gia huấn luyện môn điền kinh nữ tại ngôi trường này.[7][8] Bà được biết đến vì vẻ đẹp thời trẻ và đã có một thời gian làm người mẫu.[7] Sau khi kết hôn với người đàn ông giàu có John B. Kelly năm 1924, Margaret tập trung chăm sóc các con cho đến tuổi đi học, sau đó bà bắt đầu hoạt động tích cực tại các tổ chức dân sự.[7] Cuối đời, bà từng đột quỵ tại viện dưỡng lão, sau đó được nơi này thừa nhận đã qua đời vì viêm phổi ở tuổi 91.[9]

Kelly có hai anh chị là Margaret (1925–1991) và John B. Kelly Jr. (1927–1985) cùng em gái là Elizabeth (1933–2009). Những đứa trẻ trong gia đình được nuôi dạy theo đức tin Công giáo La Mã.[10][11]

Grace Kelly bắt đầu đi học tại Học viện nữ sinh Công giáo Ravenhill đến năm 15 tuổi. Bên cạnh đó còn tham gia trình diễn thời trang trong các sự kiện ở địa phương cùng với mẹ và các chị em gái. Năm 1942, khi lên 13, Kelly diễn vai chính trong vở kịch Don't Feed the Animals được chỉ đạo bởi East Falls Old Academy Players.[5] Trước khi tốt nghiệp trung học Stevens School vào tháng 5 năm 1947, một học viện tư nổi bật với những hoạt động xã hội ở Walnut Lane, phía tây bắc Philadelphia gần Germantown, Kelly đã tham gia diễn xuất và khiêu vũ. Trong cuốn kỷ yếu thời trung học, Kelly có liệt kê ra nữ diễn viên và nam diễn viên yêu thích là Ingrid Bergman và Joseph Cotten.[12] Cuốn kỷ yếu này còn có mục "Tiên đoán của Steven" viết rằng: "Quý cô Grace P. Kelly – một ngôi sao nổi tiếng trên màn bạc và sân khấu." Do điểm môn toán thấp nên Kelly bị từ chối nhận vào Bennington College tháng 7 năm 1947.[13]