สมเด็จพระนางเจ้าโสมนัสวัฒนาวดี เสด็จพระราชสมภพเมื่อวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2377[3] เมื่อแรกพระราชสมภพมีพระยศที่ หม่อมเจ้าโสมนัส เป็นพระธิดาในพระเจ้าบรมวงศ์เธอ พระองค์เจ้าลักขณานุคุณ กับหม่อมงิ้ว จากตระกูลสุวรรณทัต[2] โดยพระบิดาเป็นพระราชโอรสในพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว ประสูติแต่เจ้าจอมมารดาบาง ส่วนหม่อมมารดาเป็นบุตรีของทองสุข กับทองจันทร์ ต่อมาพระชนนีได้รับการสถาปนาเป็นเจ้าจอมมารดางิ้ว ด้วยเป็นขรัวยายของสมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอ เจ้าฟ้าพระองค์แรกในรัชกาลที่ 4[2]

พระเจ้าบรมวงศ์เธอ พระองค์เจ้าลักขณานุคุณ สิ้นพระชนม์ด้วยด้วยพระโรคไข้ป่วง[4] เมื่อวันที่ 17 พฤษภาคม พ.ศ. 2378 ขณะนั้นหม่อมเจ้าโสมนัสมีชันษาเพียงหกเดือน พระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว พระอัยกา ทรงเมตตาพระราชนัดดากำพร้าองค์นี้ยิ่งนัก ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เชิญเสด็จจากวังพระบิดามาทรงอุปถัมภ์ไว้ในพระบรมมหาราชวัง อย่างพระราชธิดาของพระองค์เอง หม่อมเจ้าโสมนัสทรงเจริญชันษาโดยพระอาทรทะนุถนอมของพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหมื่นอัปสรสุดาเทพ (พระโสทรเชษฐภคินีพระองค์เดียวของพระบิดา) ซึ่งต่อมาได้สิ้นพระชนม์ด้วยพระอาการตรีสัณทฆาฏ เมื่อวันที่ 21 สิงหาคม พ.ศ. 2388 ขณะที่หม่อมเจ้าโสมนัสมีชันษาได้ 10 ปีเศษเท่านั้น เมื่อสิ้นพระปิตุจฉาแล้ว พระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัวยิ่งทวีพระเมตตากรุณาหนักขึ้น ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ประกาศให้หม่อมเจ้าหญิงโสมนัสเป็นผู้รับทรัพย์มรดกทั้งสิ้น ทั้งของพระบิดา และปิตุจฉาแต่เพียงองค์เดียว ทั้งทรงสถาปนาพระอิสริยยศขึ้นเสมอพระราชธิดา เป็น พระเจ้าหลานเธอ พระองค์เจ้าโสมนัสวัฒนาวดี นับเป็นพระราชนัดดาเพียงพระองค์เดียวในรัชกาลที่ 3 ที่ดำรงพระอิสริยยศเป็น พระเจ้าหลานเธอ พระองค์เจ้า

พระองค์ได้เข้าพิธีโสกันต์เมื่อวันที่ 27 เมษายน พ.ศ. 2389 ขณะพระชันษาได้ 11 ปีเศษ พระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ตั้งการพระราชพิธีโสกันต์ แห่ใหญ่อย่างพระยศเจ้าฟ้า ทั้งทรงพระสิเนหา ยกย่อง เฉลิมพระเกียรติศักดิ์นานัปการให้ยิ่งใหญ่ในสมัยนั้น ทั้งทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้มีการแห่และการละเล่นต่าง ๆ เหมือนอย่างงานโสกันต์สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ากุณฑลทิพยวดี เพียงแต่ไม่มีเขาไกรลาสและมยุรฉัตร[5]