Nato il 13 maggio 1792 a Senigallia con il nome di Giovanni Maria Battista Pietro Pellegrino Isidoro Mastai Ferretti, fu il nono figlio di Girolamo (membro della famiglia dei conti Mastai Ferretti) e Caterina Solazzi. Venne battezzato lo stesso giorno di nascita nel Duomo della città dallo zio canonico Angelo Mastai Ferretti. Ricevette la cresima il 9 giugno 1799 dal cardinale Bernardino Honorati, vescovo di Senigallia, e la prima comunione il 2 febbraio 1803. Compì gli studi classici nel celebre collegio dei Nobili di Volterra, diretto dai padri scolopi, dal 1803 al 1808; gli studi furono comunque sospesi per improvvisi e ripetuti attacchi epilettici, causati da un pregresso trauma cranico riportato in un gravissimo incidente in cui incorse cadendo in un torrente nell'ottobre 1797.

In quegli anni, fu spesso ospite a Mondolfo dalla sorella, andata in sposa a un rampollo della nobile famiglia Giraldi della Rovere, dilettandosi con buoni risultati nel gioco del pallone col bracciale assieme ad altri ragazzi del luogo. Nel 1812, la malattia gli fece ottenere l'esonero dalla chiamata di leva nelle Guardie d'onore del Regno. Dal 1814 fu ospite a Roma dello zio Paolino Mastai Ferretti, canonico di San Pietro, e qui proseguì gli studi di filosofia e di teologia nel Collegio Romano. Nel 1815 entrò a far parte della Guardia Nobile Pontificia ma, a causa del suo male, ne fu presto dimesso. Profondamente amareggiato, in quell'occasione conobbe un giovane Vincenzo Pallotti che lo consolò e gli vaticinò il pontificato. Lo stesso anno si recò in pellegrinaggio a Loreto dove incontrò papa Pio VII il quale voleva ringraziare la Madonna per la propria liberazione da Napoleone. Quando il giovane Mastai Ferretti gli confidò la malattia che da anni lo assediava, il pontefice gli disse: "Crediamo che questo crudele male non vi tormenterà mai più"; in effetti, dopo tale visita col Papa, non ebbe più attacchi epilettici e attribuì la guarigione alla grazia ricevuta dalla Vergine di Loreto.

Dopo la caduta di Napoleone Bonaparte, tornò a Roma al seguito di Pio VII e frequentò l'Università romana. In questo periodo fu seminarista e si prodigò presso il "Tata Giovanni", un ospizio per i ragazzi abbandonati che ricevevano un'educazione, un'istruzione e imparavano un mestiere. Fu tra questi futuri falegnami, sarti, calzolai che cominciò il suo apostolato per i poveri che lo segnerà sempre nella sua vita.

Essendo guarito dalla malattia, poté continuare i suoi studi. Il 5 gennaio 1817 prese gli ordini minori, il 20 dicembre 1818 venne ordinato suddiacono e il 6 marzo 1819 diacono. Il 10 aprile 1819 fu ordinato sacerdote dal cardinale Fabrizio Sceberras Testaferrata, vescovo di Senigallia. Celebrò la prima messa il giorno dopo, giorno della Pasqua, nella chiesa del "Tata Giovanni", sant'Anna dei Falegnami, tra i suoi poveri. Si dedicò all'apostolato nella sua città natale e contemporaneamente fu direttore del "Tata Giovanni", a Roma.

Dichiarò di non volere cariche ecclesiastiche e professò nel terzo ordine francescano, nella chiesa romana di San Bonaventura al Palatino dove si ritirava a pregare. All'interno una lapide in marmo ricorda la professione del futuro Pontefice.

Dal luglio 1823 al giugno 1825 fece parte, per volere di papa Pio VII, del corpo diplomatico del Cile, guidato dal delegato monsignor Giovanni Muzi. Qui però la delegazione si trovò di fronte a un duro governo anticlericale e fu costretta a tornare a Roma. Nel 1825 fu richiamato in Italia, e si fermò per alcuni mesi a Senigallia. Poi papa Leone XII gli conferì l'incarico di dirigere l'ospizio di San Michele a Ripa, dove si accudivano anziani, ex-meretrici, e giovani abbandonati.

In considerazione dei successi in Umbria nel 1832, papa Gregorio XVI lo inviò nella sanguigna e rivoltosa Romagna, nominandolo vescovo di Imola. Il futuro pontefice si dedicò a questo nuovo magistero con particolare impegno, tanto che la sua opera fu premiata alcuni anni più tardi, quando all'età di soli quarantotto anni fu creato cardinale - sempre da Gregorio XVI - nel concistoro del 14 dicembre 1840.

Il conclave del 1846, che seguì la morte di papa Gregorio XVI, si svolse in un periodo molto turbolento per la storia della penisola italiana. Per questo motivo molti cardinali stranieri decisero di non partecipare al conclave. Soltanto 46 dei 62 cardinali erano infatti presenti. Il cardinale Mastai Ferretti era considerato un liberale, in specie per avere sostenuto vari cambiamenti amministrativi negli anni precedenti alla guida delle diocesi di Spoleto e di Imola.

I cardinali si separarono subito nella fazione conservatrice, che supportava il cardinale Luigi Lambruschini (segretario di Stato del precedente pontefice), e in quella progressista, che supportava due candidati: il cardinale Tommaso Pasquale Gizzi e il cinquantaquattrenne cardinale Ferretti. Al primo scrutinio i voti si divisero egualmente fra i diversi candidati, ma a quel punto i favoriti Lambruschini e Gizzi sembravano fuori gioco. Il 16 giugno, secondo giorno di conclave, Mastai Ferretti fu eletto al soglio pontificio assumendo il nome di Pio IX: scelse questo nome in onore a papa Pio VII che aveva incoraggiato la sua vocazione al sacerdozio.