สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้าจันทรมณฑล กรมหลวงวิสุทธิกระษัตริย์ ประสูติเมื่อวันอังคาร เดือน 6 ขึ้น 9 ค่ำ ปีเถาะ สัปตศก จุลศักราช 1217 ตรงกับวันที่ 24 เมษายน พ.ศ. 2398 มีพระยศแต่แรกประสูติคือ พระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจันทรมณฑล เป็นพระราชธิดาลำดับที่สิบหกในพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว และลำดับที่สองในสมเด็จพระเทพศิรินทราบรมราชินี พระองค์มีพระเชษฐาและพระอนุชา คือ สมเด็จเจ้าฟ้าจุฬาลงกรณ์ สมเด็จเจ้าฟ้าจาตุรนต์รัศมี และสมเด็จเจ้าฟ้าภาณุรังษีสว่างวงศ์[1]

ปี พ.ศ. 2405 พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงโปรดเกล้าสถาปนา พระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจันทรมณฑล ขึ้นเป็น สมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจันทรมณฑล โสภณภควดี กล่าวกันว่าพระบรมชนกนาถทรงเลี้ยงดูด้วยพระหัตถ์พระองค์เอง เวลาเสด็จไปไหนก็ทรงอุ้มหรือวางไว้บนตัก หากเวลาเสวยน้ำนมก็จะให้พระพี่เลี้ยงบีบจากถันลงถ้วยน้ำชา แล้วทรงป้อนด้วยช้อนทองขนาดเล็ก[2] เมื่อเจริญวัยขึ้นก็ร่วมเสวยพระกระยาหารทุกวันโดยพระบิดาจะให้ประทับบนตักแล้วทรงป้อนกระยาหารให้ เมื่อจะเสด็จประพาสไปที่ใดก็จะมีเจ้าฟ้าจันทรมณฑลติดตามไปด้วยเสมอ[2] ชาววังล้วนรักใคร่สรรเสริญ และเรียกพระองค์ว่า "ฟ้าหญิง"[2] และปรากฏในพระราชหัตถเลขาของพระราชบิดาเรียกพระองค์ว่า "นางหนูลูกรำเพย"[3]