1983년(혹은 1984년) 1월 8일 평양에서 김정일(金正日) 전 국방위원장과 그의 북송 재일교포 출신인 네 번째 부인 고영희(高英姬) 사이의 둘째아들로 태어났다. 김정일과 성혜림 사이에서 태어난 이복 큰형 김정남, 어머니가 같은 한 살 많은 김정철 등 2명의 형이 있고, 이복으로 설송ㆍ춘송ㆍ여정 등 누나가 있는 것으로 알려졌다.

1990년대 중반부터 스위스 베른 공립학교와 리베펠트-슈타인 휠츨리 공립학교에서 '박운(또는 박은)'이라는 가명으로 중고등학교 과정을 공부한 것으로 알려져 있다. 당시 학교와 집을 오가는 것 외에는 거의 외출을 하지 않았고, 농구를 비롯한 스포츠와 영화ㆍ컴퓨터에 관심이 많았던 것으로 알려졌다. 이후 2002년 북한의 군 간부 양성기관인 김일성군사종합대학교 특설반에서 군사학을 공부한 것으로 알려져 있다.

복형 김정남(金正男)과 동복형 김정철(金正哲)에 가려져 있다가 김정일의 건강 이상에 따른 후계 구도에 이목이 집중되면서 외부에 드러나기 시작하였다. 2009년 김정일의 후계자로 내정되었고, 2010년 9월 27일 인민군 대장 칭호를 받았으며, 다음날 열린 제3차 노동자 대표자회와 노동당 중앙위원회 전원회의에서 조선노동당 중앙군사위원회 부위원장과 정치국 위원에 선임됨으로써 후계 구도를 굳혔다. 김정일이 위원장을 맡았던 조선노동당 중앙군사위원회는 인민군을 지휘하고 군사정책을 총괄하는 기구로서 부위원장직은 그를 위해 신설된 자리였다.

리더십과 승부욕이 강하고 평소 선군정치의 계승을 주장해온 것으로 알려져 있으며, 할아버지인 김일성의 젊은 시절과 닮은 외모로 눈길을 끌기도 하였다. 2011년 12월 17일 갑작스럽게 사망한 아버지 김정일에 이어 권력을 승계하였으며, 북한의 맹방인 중국과 러시아도 그의 지도 체제를 공식 인정함으로써 김일성-김정일-김정은으로 이어지는 3대 세습이 공식화되었다