Barack Obama dilahirkan di Pusat Perubatan Kapi'olani untuk Wanita & Kanak-kanak di Honolulu, Hawaii,[2][3] oleh ibunya Ann Dunham, seorang wanita kulit putih dari Wichita, Kansas[4] yang berdarah Inggeris dan Irish.[5][6] Bapanya, Barack Obama Sr, pula berketurunan Luo dari Kenya.

Keluarga Ann Dunham berpindah ke Pulau Hawaii. Ibunya bertemu bapanya yang pada masa itu belajar di Universiti Hawaii di Mānoa, di mana bapanya seorang pelajar tajaan Kenya.[7][8] Pasangan ini berkahwin pada 2 Februari 1961.[9] Pada 4 Ogos 1961, Obama dilahirkan di Honolulu. Dua tahun kemudian, ibu bapa Obama berpisah.[8] Bapanya meninggalkan keluarga untuk melanjutkan pelajaran di Harvard. Bapa Obama kemudian kembali ke Kenya untuk bekerja sebagai ahli ekonomi kerajaan. Obama hanya bertemu bapanya sekali semasa berumur 10 tahun sebelum bapanya maut dalam kemalangan jalan raya pada tahun 1982.[10]

Selepas bercerai, Dunham berkahwin dengan pelajar Indonesia Lolo Soetoro yang belajar di sebuah kolej di Hawaii. Obama pada ketika itu berusia 6 tahun. Apabila Soeharto berkuasa pada tahun 1967, semua pelajar di luar negara dipanggil pulang dan Obama sekeluarga berpindah ke Indonesia.[11] Di sana Obama belajar di sekolah tempatan di Jakarta seperti Sekolah Awam Besuki dan Sekolah St. Francis Assisi sehingga beliau berumur 10 tahun.

Beliau kemudian kembali ke Honolulu untuk tinggal bersama datuk dan nenek sebelah ibunya, Madelyn dan Stanley Dunham, dan pada masa yang sama belajar di Sekolah Punahou daripada gred lima pada tahun 1971 sehingga beliau tamat sekolah menengah pada tahun 1979.[12] Ibu Obama kembali ke Hawaii pada tahun 1972 untuk lima tahun dan pada tahun 1977 balik ke Indonesia di mana dia bekerja dalam bidang antropologi. Ibunya menghabiskan hampir semua sisa hidupnya di Indonesia sebelum kembali ke Hawaii pada tahun 1994. Dia meninggal kerana kanser ovari pada tahun 1995.[13]

Obama meninggalkan Hawaii dan berpindah ke Los Angeles pada tahun 1979 untuk menyambung pelajaran di Kolej Occidental. Selepas dua tahun, dia berpindah ke Universiti Columbia di Bandar Raya New York pada tahun 1981, di mana dia mengambil jurusan sains politik dengan pengkhususan dalam perhubungan antarabangsa. Dia menamatkan pelajaran sarjana mudanya pada tahun 1983. Selepas graduasi, dia bekerja selama setahun dengan Business International Corporation dan kemudian sebagai penulis kewangan dengan syarikat perunding New York Public Interest Research Group.

Dalam buku pertamanya Dreams from My Father, Obama menulis tentang kekeruan zaman remajanya pada waktu dia cuba memahami warisan darah campuran yang masih menjadi satu kejanggalan di Amerika Syarikat. Latar belakangnya yang mempunyai budaya yang berbeza telah menjadikan Obama mempunyai pandangan yang luas yang dapat membantunya dalam politik.