Pyotr Ilyich Tchaikovsky sinh ngày 7 tháng 5 năm 1840 tại Votkinsk, một thị trấn nhỏ mà ngày nay thuộc Udmurtia, trong một gia đình quý tộc cỡ nhỏ. Cha ông là Ilya Petrovich Tchaikovsky, một kỹ sư mỏ, là một người có sắc tộc Nga và đôi chút của người Cozak Ukraina,[1] ngoài ra, Ilya Petrovich còn là giám đốc của một xưởng đúc sắt ở Kamsko-Votkinsk. Ông nội của ông, Petro Fedorovych Chaika, được đào tạo về y tế ở Sankt-Peterburg và phục vụ như là trợ lý của bác sĩ quân y trước khi trở thành thống đốc của Glazov. Ông cố của ông, một người Cozak tên là Fyodor Chaika, từng tham gia vào quân đội Nga của Pyotr I Đại đế trong trận Poltava năm 1709.[2] Mẹ ông, Alexandra Andreïevna d'Assier, là người vợ thứ hai trong số ba người vợ của Ilya Petrovich. Bà trẻ hơn chồng tới 18 tuổi và có tổ tiên bên nội là người Pháp.[3] Cha mẹ của Tchaikovsky đều đã được đào tạo trong ngành nghệ thuật, bao gồm cả âm nhạc. Điều này được coi như là một điều cần thiết vì khi ở một khu vực xa xôi hẻo lánh, âm nhạc có thể mang theo nó một nhu cầu để giải trí, cả cá nhân và các cuộc tụ họp xã hội.[4]

Tchaikovsky có bốn người anh em (Nikolai, Ippolit, và đôi song sinh Anatoly-Modest), cùng một người chị gái ruột, Alexandra và một người chị cùng cha khác mẹ, Zinaida, là con của bà vợ cả.[5] Ông đặc biệt gần gũi với Alexandra và cặp song sinh. Anatoly sau này đã có một sự nghiệp pháp luật nổi trội, trong khi Modest trở thành nhà soạn kịch, viết lời nhạc kịch và phiên dịch viên.[6] Sau này, Alexandra kết hôn với Lev Davydov và có 7 đứa con,[7] một trong số đó là Vladimir Davydov, một người rất thân với nhà soạn nhạc, người đã đặt ông một cái biệt danh là "Bob".[8] Gia đình Davydov đã cung cấp cuộc sống của một gia đình thực sự dành cho Tchaikovsky, để ông dần trưởng thành hơn,[9] và mảnh đất của họ ở Kamenka (nay Kamianka, tỉnh Cherkasy, một phần của Ukraina) đã trở thành một nơi ẩn náu luôn chào mừng Tchaikovsky trong suốt những năm lang thang.[9]

Những nỗ lực đầu tiên về âm nhạc của Tchaikovsky là những khúc ứng tấu trên đàn dương cầm. Khi mới bốn tuổi khi cậu cùng với em gái Alexandra lúc đó mới lên hai, soạn một bài hát về mẹ, khi bà đi Sankt-Peterburg vào tháng 9 năm 1844. Bản nhạc có tên "Mẹ chúng tôi ở St. Petersburg". Sau đó mẹ ông trở về với bà quản gia người Pháp tên là Fanny Durbach. Fanny ở bốn năm với gia đình ông, "đó là thời gian hạnh phúc nhất đời tôi", Fanny nói. Fanny đã bù đắp cho ông sự thiếu thốn tình mẹ. Alexandra là một phụ nữ không hạnh phúc, lạnh lùng, xa cách. Sau này Modeste, em của Piotr kể rằng hiếm khi mẹ bày tỏ tình cảm ấm áp. Bà tốt nhưng khô khan.

Lúc bốn tuổi rưỡi, Piotr, luôn xin Fanny được phép tham dự các buổi học của các anh chị. Vì vậy, mới sáu tuổi, Piotr đã nói tiếng Pháp và tiếng Đức dễ dàng. Lúc năm tuổi ông học piano với Maria Paltchikova. Chưa tới ba năm sau, ông xướng âm hay bằng cô giáo. Thế kỷ thứ 19, các gia đình khá giả gởi con của họ đến những trường học đặc biệt để có một nền văn hóa rộng lớn, trong khi đó chúng vẫn được học nghề riêng. Anh cả của cậu, Nicolas, được gửi đến Viện Công nghệ Sankt-Peterburg.

Năm 1850, lúc Piotr 10 tuổi, cậu chưa đủ tuổi để đi học bất cứ trường nào, nên cậu vô trường nội trú học hai năm để chuẩn bị. Đó là một kinh nghiệm đau khổ. Piotr yêu mẹ và rất dễ xúc động. Cậu thiếu tự tin muốn núp dưới bóng mẹ. Sự xa cách mẹ gây thương tổn lớn vậy mà chỉ bốn năm sau cậu đã phải vĩnh viễn xa mẹ.