Son père, Vladimir Rodionovitch Klitchko (1947–2011 à Kiev), était général dans la force aérienne soviétique en Allemagne. Il a participé au nettoyage en tant que liquidateur de la centrale nucléaire de Tchernobyl en 1986, il décéda à la suite d'un cancer à l'âge de . Sa mère, Nadejda Oulianovna, était enseignante.