จักรพรรดิฟรันทซ์ โยเซ็ฟเสด็จพระราชสมภพเมื่อวันที่ 18 สิงหาคม พ.ศ. 2373 ณ พระราชวังเชินบรุนน์ กรุงเวียนนา จักรวรรดิออสเตรีย เป็นพระราชโอรสและพระราชบุตรองค์โตในอาร์ชดยุกฟรันทซ์ คาร์ล (ซึ่งเป็นพระราชโอรสองค์สุดท้องในจักรพรรดิฟรันทซ์ที่ 2 แห่งจักรวรรดิโรมันอันศักดิ์สิทธิ์) และเจ้าหญิงโซฟีแห่งบาวาเรีย เมื่อปีพ.ศ. 2378 พระราชปิตุลาของพระองค์ จักรพรรดิแฟร์ดีนันด์ ทรงสละราชสมบัติกะทันหัน เนื่องจากเกิดการปฏิวัติในกรุงเวียนนา โดยมีประชามติให้พระองค์สละราชสมบัติ เพราะพระองค์ทรงปกครองบ้านเมืองไม่ดีพอ อาร์ชดยุกฟรันทซ์ คาร์ล ซึ่งเป็นพระอนุชาจึงทรงแนะนำให้ผู้เป็นพระเชษฐาสละราชสมบัติให้กับพระโอรสของพระองค์ อาร์ชดยุกฟรันทซ์ คาร์ล และอาร์ชดัชเชสโซฟีจึงมีพระบัญชาให้พระโอรสของพระองค์เตรียมตัวขึ้นเป็นจักรพรรดิ โดยให้ทรงตระหนักถึงภาระหน้าที่ ความหมั่นเพียร อาร์ชดยุกฟรันทซ์ โยเซ็ฟจึงทรงดีพระทัยที่จะได้เป็นองค์พระจักรพรรดิ ทรงเกิดความเคารพนับถือและเลื่อมใสจักรพรรดิฟรันทซ์ที่ 1พระอัยกาของพระองค์ว่าทรงเป็นตัวอย่างที่จะปฏิบัติหน้าที่ในฐานะที่ทรงเป็นจักรพรรดิ ซึ่งเสด็จสวรรคตเมื่อพระองค์มีพระชนมายุเพียง 5 พรรษาเท่านั้น เมื่อเจริญพระชนมายุ 13 พรรษา พระองค์ทรงเข้าร่วมการฝึกทหารในราชนาวีกองทัพออสเตรีย พระองค์ทรงได้รับการฝึกฝนอย่างเข้มงวด ชนิดที่ออกนอกกรอบไม่ได้เลยทีเดียว ดังนั้น พระองค์จึงทรงเครื่องแบบทหารราชนาวีตลอดมาจนเมื่อได้ทรงครองราชสมบัติ

หลังจากที่เจ้าชายคลีเมนส์ เว็นเซิล แห่งเม็ทเตอร์นิช สมุหนายกแห่งออสเตรียได้ลาออกจากตำแหน่ง หลังจากการปฏิวัติในกรุงเวียนนาเมื่อปีพ.ศ. 2391 อาร์ชดยุกฟรันทซ์ โยเซ็ฟ ในฐานะที่จะได้สืบราชสมบัติต่อจากพระราชปิตุลา ทรงแต่งตั้งเจ้าชายแห่งเม็ทเตอร์นิชให้เป็นผู้ว่าการรัฐแห่งโบฮีเมีย เมื่อวันที่ 6 เมษายน หลังจากนั้นไม่นาน วันที่ 29 เมษายน พระองค์เสด็จเยือนประเทศอิตาลี เพื่อกระชับความสัมพันธ์ทั้ง 2 ประเทศโดยมีจอมพลโยเซ็ฟ โรเด็ทสกี้ วอน ราเด็ทส์ เป็นผู้ติดตาม ในขณะเดียวกัน พระองค์ทรงถูกเรียกกลับประเทศอย่างกะทันหัน พระบิดาและพระมารดาของพระองค์ทรงเรียกให้มาที่เมืองอินส์บรุค รัฐทีโรล ซึ่งที่นั่นเองทำให้พระองค์ได้พบกับพะญาติของพระองค์ เอลีซาเบ็ทแห่งออสเตรีย-ฮังการี ซึ่งเป็นผู้ที่จะเป็นเจ้าสาวของพระองค์ในอนาคต ซึ่งขณะนั้น ดัชเชสเอลีซาเบ็ทมีพระชันษาเพียง 10 ปี

เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2391 พระราชปิตุลาของพระองค์ จักรพรรดิแฟร์ดีนันด์ ทรงสละราชสมบัติกะทันหัน โดยตอนแรก ทรงสละราชสมบัติให้กับอาร์ชดยุกฟรันทซ์ คาร์ล แต่พระองค์ทรงมอบราชบัลลังก์ให้กับพระโอรสของพระองค์เสียเอง อาร์ชดยุกฟรันทซ์ โยเซ็ฟ จึงทรงครองราชย์เป็นจักรพรรดิแห่งออสเตรีย และ กษัตริย์แห่งฮังการี ซึ่งพระองค์ทรงเป็นจักรพรรดิเพียง 18 พรรษา