Cecilia Vasa föddes på slottet Tre kronor i Stockholm den 6 november 1540. Hon var den näst äldsta dottern till kung Gustav Vasa och hans drottning Margareta Leijonhufvud.
Gustav Vasa ville att hans barn skulle ha en lika fin uppfostran som andra furstebarn i Europa. Lärarna – eller tuktomästarna som de kallades – kom främst från utlandet. Cecilia har beskrivits som det intelligentaste av syskonen och även ett av de mest självständiga och envisa. Hon fick en ovanligt fin utbildning för att vara flicka. Hon kunde både läsa och skriva. På schemat stod också geografi, litteratur, matematik, franska och tyska. Hon fick lektioner i sång, klaver och luta. En dansmästare höll danslektioner med kungabarnen varje dag.