Thượng Quan Uyển Nhi có họ kép Thượng Quan, là người Thiểm Châu, nay là Hà Nam, Tam Môn Hiệp. Gia tộc này là một dòng dõi quý tộc lớn có từ thời Tây Hán, hậu duệ của đại thần thời Hán Chiêu Đế là Thượng Quan Kiệt (上官桀) có gốc từ vùng Thượng Khuê, Lũng Tây[1]. Tổ phụ của Uyển Nhi tên gọi Thượng Quan Nghi (上官儀), là người đức cao vọng trọng, thời Đường Cao Tông dự vào hàng Tể tướng. Cha Uyển Nhi là Thượng Quan Đình Chi (上官庭芝), làm chức quan thị tùng cho Chu vương Lý Đán, còn mẹ bà là Trịnh phu nhân.

Năm Lân Đức nguyên niên (664), mùa đông, ông nội bà là Thượng Quan Nghi vì bí mật theo lệnh Cao Tông soạn chiếu phế truất Võ hậu mà bị Võ hậu ra chỉ trách cứ, với tội "Ly gián Nhị Thánh" và bị xét tử hình. Gia đình bà bị tru di, gồm cả cha bà là Đình Chi, riêng Trịnh phu nhân có người em trai là Trịnh Hưu Viễn (郑休远), đang làm Thiếu khanh của Thái thường tự nên được tha tội. Khi đó Trịnh phu nhân vẫn đang mang thai Uyển Nhi. Sau khi sinh ra, Uyển Nhi cùng với mẹ mình làm nô lệ trong Dịch đình.

Có rất nhiều câu chuyện được lưu truyền về Thượng Quan Uyển Nhi khi chào đời. Tương truyền trước khi bà sinh ra, Trịnh thị, mẹ của bà mơ thấy một người khổng lồ nói: "Đứa trẻ này sẽ bình lượng nhân sĩ trong thiên hạ". Vì câu nói này mà Trịnh thị cho rằng đứa trẻ sẽ là con trai. Khi sinh ra Uyển Nhi, bà không vui[2].