Il est le fils aîné de Alfonso Rodríguez et de Delia López-Cepero. Il est le frère de Jean Rodríguez et de Tatiana Rodríguez. Il participe à la chorale « Coro de Niños » lors de son enfance. Grâce à cette formation, il commence à se familiariser avec le monde de la musique ainsi qu'avec les représentations scéniques. À l'âge de 10 ans, Luis et toute sa famille doivent quitter leur pays et s'installer dans la ville d'Orlando dans l'État de Floride aux États-Unis. Luis s'inscrit à la Florida State University afin de poursuivre des études de musique. Il participe à la chorale de l'université, ce qui lui donne l'opportunité de participer à diverses tournées se déroulant aussi bien aux États-Unis qu'à Londres. Là, il rencontre Joe Fatona, futur membre du groupe N'SYNC*. C'est ainsi qu'il achève sa formation académique avec pour spécialisation la musique. Le 3 juin 2006, Fonsi et Adamariz López, qu'il fréquente depuis 2003, se marient à Guaynabo à Puerto Rico. Le 8 novembre 2009, Luis Fonsi se sépare de Adamari López. En 2014, il se remarie avec la modèle espagnole Águeda López. Il eut deux enfants avec cette dernière : Mikaela, née le 20 décembre 2011 ainsi que Rocco, né le 20 décembre 2016.