ชาติชาย ณ เชียงใหม่ เป็นบุตรของเจ้าโสภณ ณ เชียงใหม่ ผู้เป็นหลานของเจ้าราชภาคินัย (สิงห์โต ณ เชียงใหม่)[3] สำเร็จการศึกษาชั้นมัธยมศึกษาจากโรงเรียนมงฟอร์ตวิทยาลัย จังหวัดเชียงใหม่ ระดับปริญญาตรีสาขารัฐศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ พ.ศ. 2517 ระดับปริญญาโท รัฐศาสตรมหาบัณฑิต (การปกครอง) จากจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย พ.ศ. 2519 และปริญญาโท-ปริญญาเอกทางด้านรัฐศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน แมดิสัน พ.ศ. 2522 และ พ.ศ. 2526 ตามลำดับ[4]