พระเจ้าบรมวงศ์เธอ พระองค์เจ้าวิมลนาคนพีสี ประสูติเมื่อวันพุธ เดือน 11 ขึ้น 8 ค่ำ ปีฉลูเอกศก จ.ศ. 1251 ตรงกับวันที่ 2 ตุลาคม พ.ศ. 2432 เป็นพระราชธิดาลำดับที่ 73 ในพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว และเป็นพระราชธิดาเพียงพระองค์เดียวที่ประสูติแต่เจ้าดารารัศมี พระราชชายา ที่ขณะนั้นยังมีตำแหน่งเป็นพระสนม[2] ทั้งนี้พระมารดาเป็นพระธิดาคนเล็กในพระเจ้าอินทวิชยานนท์ เจ้าประเทศราชผู้ครองนครเชียงใหม่ที่ประสูติแต่เจ้าทิพเกสร ที่ต่อมาเข้ามารับราชการฝ่ายในที่ราชสำนักกรุงเทพฯ[3]

ขณะที่ตั้งครรภ์นั้นเจ้าจอมมารดาดารารัศมี มีพระชันษาได้ 16 ปี ได้มีอาการแพ้ท้องอยากเสวยงวงช้าง เมื่อความทราบถึงพระเจ้าเมืองเชียงใหม่ จึงทรงจัดให้ตามพระประสงค์โดยการส่งมาจากเชียงใหม่ผ่านทางเรือแรมเดือน[4] เมื่อมีพระประสูติกาล พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้พระราชทานพระนามว่า "พระเจ้าลูกเธอ พระองค์เจ้าวิมลนาคนพีสี" แปลว่า "ผู้ประเสริฐไม่มีมลทินของเมืองเชียงใหม่"[5] พระราชบิดาทรงเรียกอย่างลำลองว่า "ลูกหญิงวิมลนาค"[6]

การประสูติกาลดังกล่าวยังความปลาบปลื้มใจแก่พระเจ้าอินทวิชยานนท์เป็นอย่างยิ่ง และได้ใช้โอกาสนี้แสดงความสัมพันธ์อันแนบชิดระหว่างเจ้าผู้ครองนครเชียงใหม่กับพระมหากษัตริย์ราชสำนักกรุงเทพฯ[2] เมื่อเจ้าดารารัศมีโปรดให้มีการฉายพระรูปพระองค์เจ้าวิมลนาคนพีสีส่งขึ้นมาถวายแก่พระบิดาที่เชียงใหม่ เจ้าผู้ครองนครเชียงใหม่จึงได้มีการจัดขบวนแห่ไปรับพระรูปที่จวนของพระเจ้าน้องยาเธอ พระองค์เจ้าโสณบัณฑิต ข้าหลวงพิเศษอย่างยิ่งใหญ่ ดังปรากฏในบันทึกของพระองค์เจ้าโสณบัณฑิต ความว่า[2]

"...พระเจ้านครเชียงใหม่ เจ้าอุปราช เจ้านายบุตรหลาน หลายคนมาพร้อมกันที่ที่พักของข้าพระพุทธเจ้า ๆ ได้เชิญพระรูปให้ดูพร้อมกัน พระเจ้านครเชียงใหม่ดูพระรูปแล้วกลั้นน้ำตาไม่ได้คิดถึงเจ้าทิพเกสร พูดว่าพระขนงนั้น 'แม่นแม่เฒ่าทีเดียว' เจ้านายอื่นอยู่ข้างปีติยินดีเชยชมกันมาก"

และ[2]

"...ข้าหลวงเชิญพระรูปตั้งบนพระยานมาศแล้ว ขบวนแห่ 'พระรูป' จากบ้านพักของข้าหลวงพิเศษริมแม่น้ำปิง ไปทางถนนท่าแพ เข้าในเวียง ทางประตูท่าแพ ถึงสี่แยกกลางเวียงเลี้ยวไปออกประตูช้างเผือก เลี้ยวออกทางริมแม่น้ำปิงถึงคุ้มของพระเจ้าอินทวิชยานนท์ บริเวณคุ้มมีพลับพลาข้าราชการรวมทั้งข้าหลวงพิเศษแต่งชุดเต็มยศรอรับ พระเจ้าอินทวิชยานนท์สวมเสื้อครุยและชฎา ขึ้นรับพระรูปบนเกย เข้ากอดพระรูปอย่างสุดปลื้ม เชิญพระรูปขึ้นบนตึก ตั้งบนพระยานมาศถอดคานมียกพื้นหุ้มผ้าแดง ๒ ชั้น และกระโจมข้างบนด้วยเครื่องสูงจนเวลาบ่ายพระสงฆ์เจริญพระพุทธมนต์ในบริเวณคุ้ม มีการละเล่น เช่น มวย มีละคร มีการโปรยผลกัลปพฤกษ์ด้วย ที่ขาดไม่ได้ และคนสนใจร่วมด้วยมากคือม่อนป๊อก ฉลองสมโภชกัน ๔ วัน ๔ คืน มีงานเลี้ยงอาหารมื้อค่ำ แก่บรรดากงสุลและฝรั่งในเชียงใหม่ด้วย..."

นอกจากนี้พระเจ้าอินทวิชยานนท์ยังส่งอ่างสรงน้ำทองคำมาถวายแด่พระเจ้าลูกเธอ พระองค์เจ้าวิมลนาคนพีสี แต่เจ้าจอมมารดาดารารัศมีมิกล้าใช้ เพราะแม้แต่เจ้าฟ้ายังไม่ได้สรงด้วยอ่างทองคำ เกรงว่าหากใช้ของเกินฐานะจะเกิดอัปมงคล จึงได้ถวายอ่างทองคำดังกล่าวกับเจ้าฟ้าที่ประสูติใหม่[7]