Luis nació el 1 de noviembre de 1661 en el castillo de Fontainebleau, hijo mayor de Luis XIV de Francia y María Teresa de Austria (que eran primos hermanos por partida doble). Como Fils de France («Hijo de Francia») tenía derecho al estilo de Alteza Real. Fue bautizado el 24 de marzo de 1662 en la capilla del castillo de Saint-Germain-en-Laye y recibió el nombre de su padre, Luis. En la ceremonia, el cardenal de Vendôme y la princesa de Conti actuaron como apoderados de los padrinos, el papa Clemente IX y la reina Enriqueta María de Inglaterra. Esta última era la tía abuela de Luis. Fue para esta ocasión que Jean-Baptiste Lully compuso el motete Plaude Laetare Gallia’
Al principio estuvo bajo el cuidado de institutrices reales, entre ellas Julie d’Angennes y Louise de Prie de La Mothe-Houdancourt. Cuando Luis cumplió siete años, fue retirado del cuidado de las mujeres y puesto en la sociedad de los hombres. Recibió como gobernador a Charles de Sainte-Maure, duque de Montausier, y fue tutelado por Jacques Bénigne Bossuet, obispo de Meaux, el gran predicador y orador francés, sin resultado positivo:
Luis XIV alimentó en secreto los mismos celos sospechosos del Gran Delfín que Luis XIII había mostrado en su día hacia él mismo. Ningún príncipe podía ser menos merecedor de tales sentimientos. Monseigneur, como se conocía ahora al heredero del trono, había heredado la docilidad y la poca inteligencia de su madre. Toda su vida permaneció petrificado de admiración por su formidable padre y le temía incluso cuando le llovían las pruebas de «afecto». La mejor manera de que Monseigneur hiciera un daño a alguien era encomendarle el favor real. Lo sabía y no lo ocultaba a sus escasos peticionarios.
Louis XIV se encargó de que la educación de su hijo fuera todo lo contrario a la suya. En lugar de una madre devota y un tutor afectuoso y simpático, el Delfín tuvo al repelente y misántropo duque de Montausier, que aplicó sin piedad los mismos métodos que tanto habían perturbado a Luis XIII. Aniquilaron a su nieto.
Bossuet abrumó a su atrasado alumno con lecciones tan espléndidas que el Delfín desarrolló un duradero horror a los libros, al aprendizaje y a la historia. A la edad de dieciocho años, Monseigneur no había asimilado casi nada de los conocimientos amasados con tan poco propósito, y la apatía de su mente sólo era superada por la de sus sentidos.
Se decía que cuando Luis era adulto, podía pasar un día entero simplemente golpeando su bastón contra su pie en un sillón. No obstante, su generosidad, afabilidad y liberalidad le dieron una gran popularidad en París y entre el pueblo francés en general. Luis fue uno de los seis hijos legítimos de sus padres. Los demás murieron todos en la primera infancia; la segunda más longeva, María Teresa de Francia, murió a los cinco años, cuando Luis tenía 11.
También Luis XIV tenía una mala opinión de su hijo:
Indolente, fatuo y aburrido, sólo la gracia salvadora de su moral burguesa le impidió ultrajar a las personas piadosas de su entorno. Al igual que su padre, disfrutaba de la caza, pero eso era lo único en lo que este decepcionante hijo se parecía a su padre.
En especial por consideraciones políticas, el rey consideró a varias hijas de la realeza europea como posibles esposas para su heredero, como Ana María Luisa de Médicis, la propia prima de Luis, María Luisa de Orleans, hija de Felipe, duque de Orleans, y la princesa Henrietta de Inglaterra. Según varios informes, María Luisa y Luis estaban enamorados, ya que habían crecido juntos. Sin embargo, Luis XIV decidió utilizar a María Luisa para forjar un vínculo con España y la obligó a casarse con el inválido Carlos II de España, medio tío del propio Delfín.
Luis se comprometió con su prima segunda, María Ana Victoria de Baviera, cuando tenía siete años. Ella era un año mayor que Luis y, al llegar a la corte francesa, fue descrita como muy poco atractiva. No obstante, era una princesa muy culta, y causó inicialmente una buena impresión a su llegada, ya que era capaz de hablar francés con fluidez.
Se casaron por poderes en Múnich el 28 de enero de 1680; la pareja se vio por primera vez el 7 de marzo de 1680 en Châlons-sur-Marne.