Barbara nació en Cleveland House en St Martin en los Fields , Londres , Inglaterra, el 16 de julio de 1672. Cuando nació, Louise de Kérouaille estaba suplantando a su madre en la cama del rey.

Aunque su madre insistió en que era hija del rey, Bárbara probablemente fue engendrada por John Churchill , más tarde duque de Marlborough, primo segundo de su madre, o por Lord Chesterfield , a quien se dice que se parecía en sus rasgos. Boyer en sus "Annals", publicados en vida del duque de Marlborough dice de Barbara:

"No creo que el rey la poseyera por su hija; pero un gran hombre que ahora vive es su padre reputado. [...] Generalmente se cree que el Sr. Churchill, luego duque de Marlborough, era su padre. "

Por último, cabe señalar que el marido de su madre, Lord Castlemaine , creía que ella era su hija y le legó su propiedad. Charles , sin embargo, siempre insistió en reconocerla como su hija, mientras la desautorizaba en privado.

Ella y su madre fueron pintadas por Thomas Pooley en 1677. Se las ve sosteniendo una canasta de flores; Barbara Fitzroy es retratada como una niña de cinco años sonriente, de rostro redondo y rizos rubios.