W kwietniu 1975 jego rodzice rozwiedli się po siedmiu latach bycia razem. 13 czerwca Nancy Elizabeth Layne wyszła za mąż za rzeczoznawcę bankowego Jamesa „Jima” Kennetha Elmera (1945–2017), który miał syna Kena (ur. 1968) z pierwszego małżeństwa. Odnosząc się do rozwodu rodziców, stwierdził: „Nie ma w tym głębokich, mrocznych tajemnic. Pamiętam, że czasami zastanawiałem się, gdzie jest mój tata, ale przez większą część czasu byłem zbyt zajęty bieganiem i zabawą”.
Decyzją rodziny, za zgodą Philipa Staleya, Elmer formalnie adoptował Elizabeth „Liz” Audreyann jako swoją córkę. Staley – w przeciwieństwie do młodszej siostry – nie chciał być adoptowany, licząc na to, że biologiczny ojciec wróci do rodziny. Nigdy też formalnie nie zmienił nazwiska, mimo że w okresie nauki w szkole średniej przedstawiał się jako Layne Elmer. Prócz przybranego brata, miał też siostrę Jamie Brooke Elmer (ur. 1978).
Edukacja i zainteresowanie muzyką Od wczesnego dzieciństwa wykazywał skłonność do kreatywności, zaś jego pierwszym wspomnieniem była muzyczna karuzela wisząca nad kołyską. Często rysował oraz układał klocki Lego lub Tinkertoy, wykazując przy tym pełne skupienie. W latach edukacji nie udzielał się w zajęciach sportowych. Zamiast tego lubił obróbkę drewna oraz jazdę na deskorolce.