Xenia Alexandrovna Romanov sinh ngày 6 tháng 4 năm 1875 tại Cung điện Hoàng gia Anichkov thuộc thành phố St.Petersburg, Nga dưới thời trị vì của ông nội Sa hoàng Alexander II là cô con gái đầu tiên được sinh ra trong số sáu người con của Tsesarevich Alexander, Thái tử Nga (sau là Alexander III) và Maria Feodorovna (sau là Vương hậu Maria). Xenia có 5 người anh em lần lượt là Nikolai, Alexander, George, Michael và Olga.

Giống như các anh em của mình, Đại công tước Xeina lớn lên vào khoảng thời gian thực sự khó khăn đối với Vương triều Romanov về cả mặt an ninh và tài chính. Hoàng gia Nga lúc bấy giờ là mục tiêu của những cuộc ám sát, điển hình như ông nội bà Sa hoàng Alexander II là nạn nhân của một cuộc ám sát khi Xenia mới lên 5.

Sau vụ ám sát ông nội, cha bà lên ngôi với tên gọi Alexander III của Nga vì lý do an ninh đối với sa hoàng và những hậu duệ của ông, cả gia đình chuyển từ Cung điện Mùa đông đến sống tại Cung điện Gatchina.[8] Tại đây Xenia và các anh em của bà đã có một tuổi thơ tương đối đơn giản và không mấy phô trương như tuổi thơ của cha. Bà sống trong những căn phòng dành cho những đứa trẻ hoàng gia được trang trí khá đơn sơ như ngủ trên giường cũi, thức dậy lúc 6 giờ sáng và tắm nước lạnh mỗi sáng, nhưng lại được bù đắp bằng bầu không khí và tình yêu gia đình.[9]

Xenia được giáo dục tại nhà bởi các gia sư riêng, Hoàng gia Nga đặc biệt chú trọng việc học ngoại ngữ cho những đứa trẻ. Ngoài tiếng Nga bà được học cả tiếng Anh, Pháp và Đức, dù có khả năng vẽ đặc biệt, Xenia đã học sang nấu ăn, đóng mộc, cưỡi ngựa và câu cá trong điền trang, khiêu vũ và chơi piano.[10]