Его семья происходила из довольно знатного рода, однако к рождению Иоганна от этого статуса не осталось и следа. Семейство Кеплеров было достаточно большим и обитало в доме, который принадлежал дедушке и бабушке, Себальду Кеплеру и Катарине Мюллер. Сам дом был обустроен над сараем для животных, как было принято тогда в Швабии и других частях Европы.
Когда-то Себальд Кеплер был бургомистром города и в свое время даже сражался за Карла V, статуя которого была установлена на городской площади. Однако потом бывший бургомистр обеднел и, по словам его собственного внука Иоганна, стал «раздражительным, вспыльчивым, жестоким, упрямым». Не лучше внук отзывался и о бабушке, считая ее «суетливой, хитрой обманщицей, вспыльчивой и импульсивной, завистливой и злопамятной интриганкой».
Через четыре года после рождения сына, в 1575 году, его отец, Генрих Кеплер, отправился сражаться во Фландрию, в армию герцога Альбы, испанского капитана, который жестоко притеснял лютеран и кальвинистов. В Вайле плохо восприняли тот факт, что лютеранин из семейства Кеплеров вступил под знамена непримиримого католика. Мать Катарина, урожденная Гульдеманн, уехала вслед за мужем. Позже Генрих Кеплер чудом избежит виселицы, а Катарину обвинят в колдовстве.
Разные ветви Кеплеров жили в одном доме. Воспитанием маленького Иоганна занималась его тетя, которая позже была приговорена к сожжению заживо за связи с дьяволом. Известно, что у Иоганна был младший брат Генрих – эпилептик и откровенный шалопай. Собственно, и сам Иоганн не отличался крепким здоровьем.
В детстве он заболел оспой, которая повлияла на зрение мальчика, спровоцировав миопию и полиопию – дефекты, вызывающие раздвоение и умножение изображения в глазах. Заниматься астрономией при таком зрении было довольно трудно. Как говорил сам Кеплер, Сириус и Луна казались ему одного и того же углового размера!
Ученый очень подробно описал свое детство, составляя собственный гороскоп. Учитывая все обстоятельства, даже странно, что он не имел серьезных психических расстройств и не проявлял неуравновешенности. Напротив, Кеплер был довольно приятным, искренним и доброжелательным человеком, который пользовался всеобщей любовью благодаря своему характеру.