Leonardo Wilhelm DiCaprio sinh ngày 11 tháng 11 năm 1974 tại Los Angeles.[5] Anh là con một của bà Irmelin (née Indenbirken), một thư ký pháp luật, và ông George DiCaprio, một nghệ sĩ Underground comix và là nhà sản xuất và phân phối truyện tranh.[6] Cha của DiCaprio thuộc dòng dõi người Ý (từ Napoli) và người Đức (từ Bayern).[7][8][9] Ông ngoại của DiCaprio, Wilhelm Indenbirken, là người Đức.[10] Bà ngoại của ông, Helene Indenbirken (sinh ra ở Yelena Smirnova, 1915-2008),[11] là một người Nga gốc Đức.[12][13] Trong một cuộc phỏng vấn ở Nga, DiCaprio gọi mình là "một nửa Nga" và nói rằng hai ông bà của anh là người Nga.[14] Cha mẹ của DiCaprio đã gặp gỡ khi đang học đại học và sau đó chuyển đến Los Angeles, California.[7]

DiCaprio được đặt tên là Leonardo bởi vì khi là thai nhi, lần đầu tiên anh đá bụng mẹ trong lúc bà đang nhìn bức tranh sơn dầu Leonardo da Vinci tại một viện bảo tàng ở Ý.[15] Cha mẹ anh ly thân khi anh mới 1 tuổi, và anh hầu như sống với mẹ.[16] Hai người sống tại một số vùng lân cận ở Los Angeles, như Echo Park và Los Feliz (nơi cư trú của ông ở Los Feliz sau đó được chuyển thành thư viện công cộng), trong khi mẹ anh làm nhiều công việc.[7] DiCaprio đã theo học tại trường tiểu học Seeds Elementary School (nay là trường tiểu học UCLA Lab School) và trường trung học John Marshall High School cách đó vài dãy nhà, sau khi theo học ở Los Angeles Center for Enriched Studies trong bốn năm.[17] Tuy nhiên, anh đã bỏ học trung học sau năm thứ ba, cuối cùng đạt được bằng tương đương với bằng tốt nghiệp phổ thông trung học (GED).[18][19] DiCaprio đã trải qua thời thơ ấu của mình ở Đức cùng với ông bà Wilhelm và Helene. Anh thông thạo tiếng Đức và tiếng Ý. [20][21][22]