Birkeland hadde en to år eldre bror som het Tønnes Gunnar Birkeland (1865–1951). De vokste opp i en bygård i krysset mellom Langes gate og Nordal Bruns gate. Tønnes var atletisk og interessert i alle typer aktiviteter og sport gjennom hele livet. Kristian derimot var liten av vekst, ofte syk og måtte ha briller i ung alder. Han var en bygutt med lite kontakt med slektningene ute på landet. Kristian var interessert i kunnskap og spesielt matematikk, fysikk og kjemi. Foreldrene stimulerte interessene hans og kjøpte bøker. Lommepengene brukte han på verktøy og materialer, for å drive med eksperimenter. Blant annet ble han tidlig interessert i magnetisme, og kjøpte derfor magneter. Allerede som barn hadde han vitenskapelig intuisjon og sa at magnetisme kunne være noe han ville studere senere i livet.