พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าโสมสวลี กรมหมื่นสุทธนารีนาถ มีพระนามเดิมว่า หม่อมหลวงโสมสวลี กิติยากร ประสูติเมื่อวันเสาร์ที่ 13 กรกฎาคม พ.ศ. 2500 ณ โรงพยาบาลกายส์ เขตเซาท์วาร์ก กรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ
พระองค์เป็นธิดาของหม่อมราชวงศ์อดุลกิติ์ กิติยากร พระเชษฐาในสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ พระบรมราชชนนีพันปีหลวง กับท่านผู้หญิงพันธุ์สวลี กิติยากร เหตุที่หม่อมหลวงโสมสวลีเกิดที่ลอนดอนสืบเนื่องมาจากบิดา คือ หม่อมราชวงศ์อดุลกิติ์ ได้ไปศึกษากฎหมายในอังกฤษหลังพระราชทานน้ำสังข์แล้ว จนเมื่อหม่อมหลวงโสมสวลีมีอายุได้ 2 ปี จึงได้กลับมายังประเทศไทย
นาม โสมสวลี แปลว่า "ผู้สืบเชื้อสายมาจากพระจันทร์" คือพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระจันทบุรีนฤนาถ เป็นนามที่ได้รับพระราชทานจากพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช ครอบครัวและสหายในโรงเรียนราชินีมักเรียกสั้นๆ ว่า "คุณโสม" ส่วนพระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงเรียกว่า "โสม" เฉยๆ มีน้องสาวเพียงคนเดียวคือหม่อมหลวงสราลี กิติยากร หรือ "คุณน้ำผึ้ง" ซึ่งเป็นนักแสดงและพิธีกร
หม่อมหลวงโสมสวลี กิติยากร ได้รับโปรดเกล้าฯ ให้เข้าศึกษาในระดับอนุบาลที่โรงเรียนจิตรลดา รุ่นที่ 5 เมื่อปี พ.ศ. 2504 รุ่นเดียวกับสมเด็จพระเจ้าน้องนางเธอ เจ้าฟ้ากรมพระศรีสวางควัฒน วรขัตติยราชนารี แต่เมื่อสำเร็จการศึกษาในระดับชั้นประถมศึกษาปีที่ 4 หม่อมราชวงศ์อดุลกิติ์ ย้ายไปเป็นผู้พิพากษาศาลจังหวัดเชียงใหม่ ในปี พ.ศ. 2510 พระองค์ก็ทรงลาออกจากโรงเรียนเดิมและย้ายไปประทับที่เชียงใหม่ โดยเข้าเรียนที่โรงเรียนเรยีนาเชลีวิทยาลัย เป็นเวลา 2 ปี และเมื่อบิดาได้ย้ายกลับมายังกรุงเทพมหานคร ทรงเข้าศึกษาในโรงเรียนสาธิตจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยระยะหนึ่ง แต่ด้วยมิสะดวกต่อการรับส่ง จึงได้ย้ายมาศึกษาอยู่ที่โรงเรียนราชินี เนื่องจากเป็นเส้นทางเดียวกับเส้นทางที่ไปยังที่ทำงานของบิดา
หม่อมหลวงโสมสวลีและน้องสาว เติบโตในวังเทเวศร์และได้รับการเลี้ยงดูอย่างสามัญ มีพระบิดาไปรับส่งที่โรงเรียน ในวัยเยาว์พระองค์ทรงปฏิบัติหน้าที่งานบ้านด้วยพระองค์เอง เช่น จัดที่นอนให้เป็นระเบียบ กวาดบ้านถูพื้น รวมไปถึงการปลูกผักและตัดหญ้า ทั้งนี้โปรดการประกอบอาหาร และวิชาภาษามากกว่าวิชาใดๆ แต่พระองค์ไม่ถูกกับวิชาคำนวณ เมื่อพระองค์สำเร็จการศึกษาระดับ ม.ศ. 2 พระองค์ก็ขอร้องกับบิดามารดา เพื่อขอออกมาศึกษาวิชาที่พระองค์ชอบ
พระองค์ชื่นชอบงานฝีมือ ฝึกฝนด้านหัตถกรรมอย่างการร้อยพวงมาลัย, จัดดอกไม้ และเย็บปักถักร้อย โดยโปรดงานนิตติ้งมากที่สุด โปรดเลี้ยงสัตว์ คือ ปลาทอง หากพระองค์จะเสด็จไปประทับที่ใดก็ต้องเอาปลาทองที่ทรงเลี้ยงไปด้วย โปรดการเล่นเครื่องดนตรี คือ กีตาร์ และเปียโน ดังคำให้สัมภาษณ์ของท่านผู้หญิงพันธุ์สวลีตอนหนึ่งว่า "คุณโสมชอบเล่นกีตาร์ ดิฉัน [ท่านผู้หญิงพันธุ์สวลี] ให้ท่านผู้หญิงอรุณ กิติยากร มาสอนเปียโนอยู่เป็นประจำ"
วันที่ 17 ธันวาคม พ.ศ. 2519 พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ พระราชทานพระบรมราชานุญาตให้ประกอบพิธีหมั้นระหว่างพระบาทสมเด็จพระวชิรเกล้าเจ้าอยู่หัว ขณะทรงดำรงพระอิสริยยศเป็นสมเด็จพระบรมโอรสาธิราชฯ สยามมกุฎราชกุมาร กับหม่อมหลวงโสมสวลี กิติยากร ณ พระตำหนักจิตรลดารโหฐาน พระราชวังดุสิต
