Wladimir Klitschkos far "Vladimir Rodionovitj Klytjko" (1947–2011), var officer (pilot) i Röda armén och hans mor "Nadezhda Ulyanovna" lärarinna. Familjen flyttade runt i Sovjetimperiets periferi och därför är storebror Vitalij född i Kirgizistan och Wladimir i Kazakstan. Fadern tjänstgjorde 1980–1985 i Mimoň i Tjeckoslovakien och när Wladimir Klitschko var 9 år gammal 1985 flyttade familjen till dåvarande Ukrainska SSR. Hans far blev då förflyttad till Kiev i Ukraina där han år 1986 var en av befälhavarna som ansvarade för att städa upp effekterna av Tjernobylolyckan. Fadern drabbades därpå, förmodligen som följd av detta, av cancer. Han blev senare militärattaché i DDR.