출생지는 인천광역시. 출세작인 은실이를 포함 야인시대나 응답하라 시리즈를 비롯한 여러 작품에서 수준급의 전라도 사투리를 선보인 탓에 전라도 토박이로 오해하는 경향이 있지만, 어렸을 때만 외가인 화순군에서 살았다. 그래서, 출생지도 인천이고 성장기를 보낸 곳도 인천이라서 실질적으로는 인천 사람이다.

어린 시절의 성장 과정이 불우했다. 아버지가 가정을 돌보지 않아 전라남도 화순군에서 8살 터울인 누나와 단둘이 남의 집에서 살았다. 이 때는 2013년 당시의 빈이보다 어렸을 때였다고 한다. 누나가 남의 집 밭일을 도와주고 먹을 것을 받아와서 어린 성동일을 키웠다고 한다. 지금의 전라도 사투리는 이때 익혔을 가능성이 있지만 본인의 말에 따르면 연극배우 시절 검열을 피해 연극을 마당극 형식으로 무대에 올리느라 전라도 사투리를 배웠다고 한다.

10살 즈음까지 동네 어르신들이 지어준 다른 이름(성종운)으로 불렸으며, 출생신고도 되어있지 않아 호적에도 없었다가 중학생이 되어서야 출생신고가 되어 호적에 올려졌었다. 이때 출생신고를 하면서 성동일로 개명. 어머니가 아이들을 데리고 자살까지 결심했을 정도. 성동일이 10살 무렵 어머니와 아버지가 억지로 다시 가정을 꾸렸지만, 매일같이 이어지는 폭력과 방치에 집을 나가 사는 것이 그 무렵 자신의 꿈이었다고 회고하기도. 그 때문인지 20년 동안 아버지를 보지 않았으며, 후에 아버지가 사망했다는 연락을 받고도 일부러 장례식은 물론 발인도 가보지 않았다고 한다. 너무 오랫동안 안 보고 살았던데다 여전히 아버지에게 미운 감정도 갖고 있었는데 이제 와서 "내가 아들이요, 이 분이 내 아버지요"라며 나서는 것도 앞뒤가 안 맞는 것 같아서라고. 늦은 나이에 얻은 장남인 준이를 엄하게 다루었던 것도 그런 가정환경의 영향이 크다고 한다. 본인은 "우리 아버지 반대로만 하면 좋은 아버지가 될 것"이라는 생각으로 자식들을 엄격하게 대했다고 한다.

하지만 아빠! 어디가? 이후 자식교육관이 많이 바뀌었다. 당장 준이만 해도 아빠! 어디가? 이전에는 아빠를 무서워하여 경기를 일으킬 수준이었으나, 성동일이 아이에 대한 인식을 바꾸면서 관계의 회복을 이루었다. 대표적인 에피소드가 바로 감자-김 에피소드. 첫 여행 두번째 날 아침 성동일이 늦잠을 자는 바람에 아침으로 먹일 게 감자와 김밖에 없었으나 준이는 맛있게 잘 먹었고, 나중에 여행 다니면서 뭐가 제일 맛있었냐고 묻자 감자와 김이라고 답했는데 그 이유가 아빠가 처음으로 차려준 아침밥이어서라고 말했다. 이 에피소드 이후 성동일의 자식들을 대하는 모습이 본격적으로 바뀌기 시작했다. 이후 둘째 빈이를 데리고 여행을 갔을 때도 빈이가 삶기만 한 생면에 소금을 뿌리자 가만히 있으라고 혼을 냈으나, 준이가 동생이 혼이 나는 상황을 무마하기 위해 생면을 먹고 맛있다고 하자 즉시 자신의 잘못을 깨닫고 사과하는 모습을 보이기도 했다.