บรรพบุรุษของชาวบาหลีในปัจจุบันมาจากการอพยพย้ายถิ่นฐานจำนวนสามครั้ง โดยครั้งแรกคือคลื่นผู้อพยพชาวโปรโตมลายูจากเกาะชวาและกาลีมันตันช่วงยุคก่อนประวัติศาสตร์[4] คลื่นอพยพลูกที่สองคือการอพยพของกลุ่มชนจากเกาะชวาในยุคฮินดูเรืองอำนาจในช่วงเวลาหลายปีและเป็นไปอย่างช้า ๆ และคลื่นอพยพครั้งสุดท้ายคือกลุ่มชนที่อพยพมาจากเกาะชวาช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 15 จนถึง 16 อันเป็นช่วงเวลาที่ผู้คนหันไปเลื่อมใสศาสนาอิสลาม หลังการล่มสลายของจักรวรรดิมัชปาหิต เจ้าขุนมูลนายและราษฎรทั้งหลายจึงหลบลี้อิทธิพลจักรวรรดิมาตารัมที่เปลี่ยนเป็นรัฐอิสลามมายังเกาะบาหลี ที่ทำให้วัฒนธรรมชวายุคเก่ามาผสมผสานกับวัฒนธรรมพื้นเมือง จนทำให้บาหลีมีวัฒนธรรมพื้นเมืองที่โดดเด่นมาแต่นั้น[5]

มีการศึกษากรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกชาวบาหลีโดยคาราเฟตและคณะ (Karafet et al.) พบว่าโครโมโซมวาย (Y chromosome) นั้น ใกล้เคียงกับชาวอินเดียร้อยละ 12 ใกล้เคียงกับชาวออสโตรนีเชียร้อยละ 84 และชาวเมลานีเซียร้อยละ 2[6]