Primogenito dell'insegnante del ginnasio di Potsdam, August Ferdinand Helmholtz e di Caroline Penne, figlia di un giovane ufficiale d'artiglieria e lontana discendente di William Penn, fondatore della Pennsylvania, egli nacque il 31 agosto 1821. Gli fu dato il nome di Hermann Ludwig Ferdinand e venne battezzato secondo il rito luterano. Passò la sua infanzia a Potsdam, in una grande e spaziosa dimora borghese situata in una strada centrale della città. Da bambino era spesso malato e la sua salute cagionevole lo costringeva a trascorrere molto del suo tempo a letto. I suoi genitori lo circondarono di ogni premura, mostrandogli libri di immagini e donandogli giochi in legno, che gli permisero di prendere precocemente coscienza delle relazioni geometriche degli oggetti.