Kåre Willoch ble født 3. oktober 1928 på Bestum på Oslos vestkant, i daværende Aker kommune. Foreldrene var disponent Haakon Isaachsen Willoch (1896–1955) og Agnes Christine Saure (1895–1994). Haakon Willoch startet bedriften Bonnaski i Lommedalen. Moren var intellektuelt anlagt og utdannet adjunkt i realfag og arbeidet som lærer til barna ble født. Foreldrene var politisk interessert, men deltok ikke aktivt i politisk arbeid. Kåre Willoch ble som gutt kjent for sine kunnskaper og som standhaftig debattant. Kåre var deres tredje sønn. Hans eldre brødre var Erik Willoch, som ble luftfartsdirektør, og Jan Willoch, som ble skifabrikant som sin far og formann i Riksmålsforbundet. Kommandørkaptein Odd Isaachsen Willoch som var skipssjef på panserskipet «Eidsvold» da det ble torpedert i Narvik 9. april 1940, var hans onkel.