เฟร์นันโดเสด็จพระราชสมภพที่อารามบัลปาราอิโซ (เปเลอัสเดอาร์ริบา ปัจจุบันอยู่ในจังหวัดซาโมรา) เป็นพระโอรสของพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 9 แห่งเลออนกับพระราชินีเบเรงกาเรียแห่งกัสติยา พระมเหสีคนที่สอง จึงทำให้เฟร์นันโดสืบเชื้อสายมาจากพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 7 แห่งเลออนและกัสติยาจากทั้งสองทาง โดยมีพระเจ้าเฟร์นันโดที่ 2 แห่งเลออนเป็นพระอัยกาทางฝั่งพระบิดา และพระเจ้าซันโชที่ 3 แห่งกัสติยาเป็นพระปัยกาจากทางฝั่งพระมารดา ซึ่งทั้งคู่ต่างเป็นพระโอรสและผู้สืบทอดตำแหน่งของพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 7 บรรพบุรุษคนอื่น ๆ ของเฟร์นันโดที่เป็นเชื้อพระวงศ์คืออูร์รากาแห่งโปรตุเกส ซึ่งเป็นพระอัยกีทางฝั่งพระบิดา และเอเลนอร์แห่งอังกฤษ พระปัยกีทางฝั่งพระมารดาซึ่งเป็นพระธิดาของพระเจ้าเฮนรีที่ 2 แห่งอังกฤษกับพระราชินีเอเลนอร์แห่งอากีแตน[2]

นับตั้งแต่เสด็จพระราชสมภพจนถึงปี ค.ศ. 1204 เฟร์นันโดได้รับการวางตัวให้เป็นทายาทในราชอาณาจักรเลออนของพระบิดา โดยมีพระมารดาและราชอาณาจักรกัสติยาคอยให้การสนับสนุน แม้ว่าพระองค์จะเป็นพระโอรสคนที่สองของพระเจ้าอัลฟอนโซซึ่งมีพระโอรสหนึ่งคนกับพระธิดาสองคนมาก่อนแล้วจากการอภิเษกสมรสครั้งแรกกับเตเรซาแห่งโปรตุเกส แต่ในตอนนั้นพระองค์ไม่ยอมรับพระโอรสคนโต (ซึ่งชื่อเฟร์นันโดเช่นกัน) เป็นทายาท ทว่าชาวกัสติยามองว่าเฟร์นันโดคนพี่เป็นคู่แข่งคนสำคัญที่เป็นภัยต่อพระโอรสของพระราชินีเบเรงเกลา

การอภิเษกสมรสของพระบิดามารดาของเฟร์นันโดถูกประกาศให้เป็นโมฆะตามคำสั่งของสมเด็จพระสันตะปาปาอินโนเซนต์ที่ 3 ในปี ค.ศ. 1204 เนื่องจากเป็นการร่วมประเวณีกันระหว่างญาติใกล้ชิด พระราชินีเบเรงเกลาจึงพาพระโอรสธิดา ซึ่งหนึ่งในนั้นคือเฟร์นันโด กลับไปที่ราชสำนักของพระบิดา พระเจ้าอัลฟอนโซที่ 8 แห่งกัสติยา[3] ในปี ค.ศ. 1217 พระเจ้าเอนริเกที่ 1 พระอนุชาของพระนางสิ้นพระชนม์ พระนางได้สืบทอดบัลลังก์กัสติยาต่อโดมีเฟร์นันโดเป็นทายาท แต่ทรงยกบัลลังก์ให้พระโอรสอย่างรวดเร็ว