Han var sønn av keiser Ferdinand III (1608–1657) og hans hustru den spanske infanta Maria Anna. Hans eldre bror var Ferdinand, den senere Ferdinand IV. Hans søster Maria Anna var gift med kong Filip IV av Spania. Hans halvsøster Eleonore giftet seg med Mikael av Polen og senere hertug Karl V av Lothringen. Hans halvsøster Maria Anna Josepha var hustru til den jülich-bergiske hertug og senere pfälziske kurfyrst Jan Wellem, hvis søster Eleonore skulle bli Leopold hustru da han inngikk sitt tredje ekteskap.