Jane Birkin est la fille de David Birkin (1914-1991), commandant dans la Royal Navy, et de l'actrice Judy Gamble (plus connue sous son nom de scène, Judy Campbell (1916-2004), muse de Noel Coward, le célèbre dramaturge britannique). Elle a une petite sœur, Linda, et un frère Andrew Birkin, acteur et réalisateur qui a joué avec elle dans le film La Pirate et a dirigé Charlotte Gainsbourg (la fille qu'elle a eue avec Serge Gainsbourg) dans The Cement Garden. le poète et musicien Anno Birkin, les acteurs David et Ned Birkin sont ses neveux.