ประสูติ
ทรงเป็นพระราชโอรสองค์ที่ 69 ใน พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชการที่ 5 และพระองค์ที่ 7 ใน สมเด็จพระศรีสวรินทิราบรมราชเทวี พระพันวัสสาอัยยิกาเจ้า ประสูติใน พระบรมมหาราชวัง เมื่อวันศุกร์ ขึ้น 3 ค่ำ เดือนยี่ ปีเถาะ ตรงกับวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2434

การศึกษา
พ.ศ. 2447 โรงเรียนนายร้อยชั้นประถม
พ.ศ. 2448 ระดับมัธยมศึกษา โรงเรียนแฮร์โรว์ ประเทศอังกฤษ
พ.ศ. 2450 เรียนนายร้อยขั้นต้นที่เมือง Potsdam จบแล้วทรงเรียนที่โรงเรียนนายร้อยชั้นสูงที่ Royal Prussian Military College, Gross Lichterfelds
พ.ศ. 2454 ทรงสำเร็จการศึกษา สอบได้เป็น Fahnrich และทรงเข้าศึกษาใน Imperial German Naval College ที่ Flensburg
พ.ศ. 2459-2460 ทรงเรียนเตรียมแพทย์ที่ Harvard College, Harvard University
พ.ศ. 2460-2462 ทรงเรียนแพทย์ชั้น preclinic ที่ Harvard Medical School
พ.ศ. 2462-2464 ทรงเรียนวิชาสาธารณสุขที่ School for Health Officer, Hardvard University และ Massachusetts Institute of Technology
พ.ศ. 2469-2471 ทรงเรียนแพทย์ชั้น clinic ที่ Harvard Medical School, Harvard University ได้รับปริญญา Doctor of Medicine (M.D.) Cum Laude

ทรงรับราชการทหารเรือ
ทรงเข้ารับราชการในกองทัพเรือ ประจำการอยู่ในกองบังคับการ และกรมวิชาการ ตามลำดับ เป็นเวลาปีเศษ ทรงลาออกจากกองทัพเรือ เมื่อเดือนมกราคม พ.ศ. 2459

ทรงอภิเษกสมรส
วันที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2463 ทรงอภิเษกสมรส กับ นางสาว สังวาลย์ ตะละภัฎ หรือ สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี ณ วังสระปทุม โดยมี พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว เสด็จมาพระราชทานน้ำสังข์ ขณะนั้นหม่อมสังวาลย์ มีอายุ 20 ปี และสมเด็จพระบรมราชชนก มีพระชนมายุ 29 พรรษา
สมเด็จพระบรมราชชนก มีพระราชโอรส 2 พระองค์ และพระราชธิดา 1 พระองค์ คือ
1) สมเด็จพระเจ้าพี่นางเธอ เจ้าฟ้ากัลยาณิวัฒนา กรมหลวงนราธิวาสราชนครินทร์ พระธิดาพระองค์แรก ประสูติเมื่อวันที่ 6 พฤษภาคม พ.ศ. 2466 ณ สถานพยาบาล ในกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ
2) พระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล รัชกาลที่ 8 พระราชโอรสพระองค์แรง ประสูติเมื่อวันที่ 2 กันยายน พ.ศ. 2468 ณ เมืองไฮเดลเบิร์ด ประเทศเยอรมันนี
3) พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช รัชกายที่ 9 ประสูติเมื่อ วันที่ 5 ธันวาคม พ.ศ. 2470 ณ โรงพยาบาลเมานท์ออเบิร์น เมืองเคมบริดจ์ มลรัฐแมสซาชูเส็ตส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา

ทรงปฏิบัติหน้าที่แพทย์ประจำบ้าน ณ โรงพยาบาลแมคคอร์มิค
สมเด็จพระบรมราชชนก มีพระราชประสงค์ จะทำหน้าที่แพทย์ประจำบ้าน ณ โรงพยาบาลศิริราช เพื่อทรงศึกษาโรคในประเทศไทย แต่เนื่องด้วย พระอิสริยยศ ของพระองค์ ทำให้ไม่สามารถเป็นไปตาม พระราชประสงค์ได้ จึงทรงติดต่อกับทาง โรงพยาบาลแมคคอร์มิค จังหวัดเชียงใหม่ เพื่อทรงปฏิบัติหน้าที่ แพทย์ประจำโรงพยาบาล แห่งนี้อย่างจริงจัง และดียิ่ง ชาวเชียงใหม่ ได้ขนานพระนามว่า "หมอเจ้าฟ้า"

ทรงพระประชวร และสิ้นพระชนม์
สมเด็จพระบรมราชชนก เสด็จกลับกรุงเทพฯ เพื่อทรงร่วมพระราชพิธี ถวายพระเพลิงพระศพ สมเด็จพระราชปิตุลาบรมพงศาภิมุข เจ้าฟ้าภาณุรังษีสว่างวงศ์ กรมพระยาภาณุพันธ์วงศ์วรเดช ก่อนเสด็จกลับเชียงใหม่ มีพระอาการประชวรอยู่นาน 4 เดือน จึงสิ้นพระชนม์ ด้วยโรคพระยกนะอักเสบ เมื่อวันที่ 24 กันยายน พ.ศ. 2472 ที่วังสระประทุม รวมพระชนมายุ 37 ปี 8 เดือน