DiCaprio Hollywoodban született, Los Angelesben, Kalifornia államban, George DiCaprio underground képregényrajzoló és -forgalmazó, illetve Irmelin Indenbirken, korábbi jogi titkárnő egyetlen gyermekeként. Anyja még gyermekkorában a németországi Oer-Erkenschwickből az Egyesült Államokba költözött; apja pedig negyedik generációs amerikai, félig olasz, félig német származású. A szülők a főiskolán találkoztak, minekutána Los Angelesbe költöztek.DiCaprio keresztnevét Leonardo Da Vinci után kapta; édesanyja az itáliai művész egyik festménye előtt állt, mikor fia rúgott egyet.

DiCaprio szülei elváltak, mikor egyéves volt; ezután többnyire anyjával élt, de apja sem hagyta magára. Gyermekkorában a Seeds Elementary Schoolba járt, érdekelték a kosaraskártyák, a képregények és a múzeumok, ahová gyakran vitte el édesapja. DiCaprio és édesanyja több Los Angeles-i környéken is élt; tizenéves korában az 1874 Hillhurst Avenue, Los Feliz címen laktak (amit később közkönyvtárrá alakítottak), anyja pedig több munkát is vállalt, hogy eltartsa magát és fiát. DiCaprio a közeli John Marshall High School diákja volt, mielőtt a Los Angeles Centre for Enriched Studies hallgatója lett. Reklámfilmekben szereplő mostohatestvére, Adam Farrar (apja új házasságából) is szerepet játszott abban, hogy DiCapriót a színészet érdekelni kezdte. Tizenkét évesen ügynök után nézett, de eleinte elutasításra talált; egy ügynök azt javasolta neki, angolosítsa nevét „Lenny Williams”-re, ám ezt DiCaprio visszautasította.