出生在大马车上的张学良，养育在辽宁省台安县桑林子九间乡鄂家村詹家窝堡屯其表哥赵明德家。其母赵氏（名春桂），性格刚烈而又十分善良，生有一女二男（即首芳，学良，学铭），因为张作霖闯荡在外，尚未发迹，家境十分困难，赵氏生张学良后就病了，没有奶水，孩子只能靠奶妈喂养，奶妈45岁，是花一块银圆雇来的。
1986年张学良在跟晚辈谈及此事时说：“在娘胎里上帝就造就了我，他们都没想到我还能活着。我过去身体很不好，有个大夫说，我的身体很坏。我是靠喝米汤活着，不是你们今天喝的大米汤，而是高粱米汤，后来再大一点，则由大人把煮熟的高粱米嚼碎喂我吃，就这么活着。活到一岁多。那时我们家还穷得很，雇了一个奶妈子，她对我很好，后来我一直养着她。因为生活太苦，我五六岁时，连话都说不清楚，我舌头短啊，不好使，小时候人家都说我不会说话了。你爷爷到外边去做事，把你奶奶扔在家。她不回娘家。本来我外爷家多少富裕一点，是个小地主，可我们没有饭吃啊，睡的床也没有，奉天那里都是睡炕，没有炕席啊，只能直接在土坯垒成的炕上睡觉。我妈常让我看她的腿，就是这个地方（张比划着自己的腿部）都磨成了膙膙。你们知道吗？这是怎么来的，这是睡炕睡出来的。我爸爸常告诉我，你可不能对你舅妈不好，没有你舅妈，就没有你。那时我妈没有饭吃啊，有时几天都吃不上饭，是我舅妈从她们家里偷点米送给我妈吃，我原来不喜欢我舅妈，所以我爸爸才经常提醒我不要忘恩。鉴于此，我舅妈死后，舅妈一家都是我养活的。那时穷啊，你爷爷冬天穿个大褂，还装漂亮。……”正是因家境贫寒，生活艰辛，操劳过度，张学良的母亲赵氏1911年病故，年仅38岁。
张学良的幼年是在这样动荡不安、家境穷困的环境中度过的。这一客观事实给他幼小稚嫩的心灵打下了深深烙印，对他后来的成长和爱国爱民思想的萌生，产生了深远影响。
赵氏生前与张作霖的二夫人卢氏相处甚好，临终嘱托卢夫人抚养学良姐弟。同年，张学良与姐弟随卢氏进入东北的政治、经济、文化中心——奉天（今沈阳）。
张作霖望子成龙，在家为子女开设私塾馆，聘请名师杨景镇、白永贞、宋文林、金梁等任教，奠定了张学良深厚的中国传统文化功底。1915年，张学良拜奉天交涉署英文科长徐启东为师学习英文，同时又跟东三省测量局局长陈英学习法语和数理化知识，这使他打下了坚实的外语基础。与此同时，张学良接受西方资产阶级民主主义思想，使他成为开放型的人物。
1916年，张学良经周大文介绍加入奉天基督教青年会，经常由阎宝航陪同参加青年会举办的各种活动，与阎宝航结为莫逆之交。
张作霖共有6位夫人，14个子女。其中8男6女。
张学良则有7弟、1姐、5妹。弟者：学铭、学曾、学思、学森、学俊、学英、学铨；姐者：冠英（字首芳）；妹者：怀英、怀朣、怀青（也叫怀卿）、怀曦、怀敏。他非常尊敬大姐，特别喜欢最有出息的四弟张学思。
张学良自幼天资聪颖，活泼顽皮，胆大妄为，善于观察人物，喜读文艺传记，常有独立见解。初学为文，即能下笔千言，尤爱各项体育运动。陆续学会骑摩托，开汽车，驾飞机；他一向佩服强者，同情弱者，“任可为好汉子牵马坠蹬，不给懒汉子当祖宗。”
祖母丧时，张作霖从北京邀来能工巧匠，在沈阳大南门内住宅（其时尚未翻造为“帅府”）搭建一座布棚礼堂，全用白布蓝布扎成，流苏四垂，素采耀目，可谓“高棚跨路，广幕凌云”，此棚分为三层，在城外远远即可望见。学良方十二三岁，竟敢攀登直到棚顶，一但失足，不堪设想，家人吓得目瞪口呆，不知所措。他却从容不迫，由棚顶缓缓爬下，被父亲痛责一番，说他简直是以性命作儿戏。
尚有一次，张学良读书时，竟与表哥和一位弟弟各用一个广口瓶，把红、黄、蓝三色粉笔细粉分别放入三个瓶中，再把捉到的苍蝇装进去，然后放飞，他们捕捉各自认定的一种带色苍蝇，捉多者为胜方，其中有一苍蝇飞到老师的书上，因老师两眼近视，不辨何物，看了好久，最终还是发现了他们的恶作剧，毫不客气地对他们进行惩罚。老师曾对张作霖说，你儿子简直淘气得不能要了。
张学良还因戏弄老师而挨板子。他的老师杨景镇为人顽固守旧，民国成立十多年了，仍保留头上的辫子。他不但不剪，还不准张学良剪，张学良认为是奇耻大辱，等杨老师回家度假，张学良把辫子剪了。老师回来，大为不悦。申斥道：“身体发肤，受之于父母，不可任意毁伤。”张学良说：“老师，那么你是应该留全发的，你那一半岂不是毁伤了？”杨说：“这是皇上家的意旨。”张说：“皇上已经完蛋了！剪辫子那才是政府的法令哪。”杨怒气大发说：“这个没有皇帝的朝廷，还能会有多长时间呢？”如此这般，张学良自然不服老师的说教。
对刻板式背诵四书五经章句的读书生活，张学良很厌倦，常因表达独立见解而受到老师非议。16岁时，老师让他以“民主国之害甚于君主”为题作一论文。他反其道而行之，一破题就写道：“民主国之害甚于君主，此乃三村（按：指三家村）愚夫愚妇之谈也。引证法、美、瑞等大小强国民主之现状，又引希腊、罗马，古代民主之事实，申言目下中国不良之状况，非由于民主之弊，乃由于帝制余孽，不解民主为何之老朽昏庸作祟所致，待余孽死绝，民主之光自显。所叹息民主国之害甚于君主者，昧于不明世界大势，不悉世界古今历史，正所谓坐井观天者也云云。”老师看后，罢教而去。张作霖怒形于色，执意责罚张学良。后来，张作霖的部下袁金铠给张作霖讲了一段年羹尧的故事，并亲读张文，对其精辟见解，大加赞赏。袁对张作霖说：“这是个有思想的青年，这位先生是不能再教这位学生了，此非学生之过。”张作霖则由怒变喜，另请比较开明的白永贞施教。可见张学良读书之多，见识之广，思想之新，是一般少年所无法比拟的。
白永贞是一位孝廉公，曾任过知府。他，主张因材施教，未对张学良的行动严加约束。关于读书做人，他时加劝诱指导，认为张学良是不宜于在书房读书的人。即此，张学良才有机会走向社会，广交朋友。
