Doris Mary Kappelhoff dilahirkan pada 3 April 1922, di Cincinnati, Ohio,[1] merupakan anak kepada Alma Sophia (née Welz; 1895–1976) dan William Joseph Kappelhoff (1892–1967). Ibu beliau merupakan seorang surirumah tangga manakala bapa beliau merupakan guru muzik.[2][3] Datuk dan nenek sebelah bapanya merupakan berketurunan Belanda dan Jerman. [4][5] Sepanjang hayatnya, Day mempercayai bahawa beliau dilahirkan pada tahun 1924, sehinggalah pada sambutan hari lahir beliau ke-95, Associated Press menemui sijil lahirnya yang menunjukkan bahawa Day dilahirkan pada tahun 1922.[1]

Day merupakan anak bongsu daripada tiga orang adik beradik. Beliau mempunyai dua orang abang iaitu Richard (meninggal dunia sebelum kelahiran Doris) dan Paul, dua hingga tiga tahun lebih tua dari Doris.[6]