เป็นที่ทราบกันดีว่า พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ทรงมีพระราชกรณียกิจมาก ทรงงานหนักตลอดเวลา แต่ในเวลาว่างจากพระราชกรณียกิจ ก็ทรงสนพระทัยในกิจกรรมต่าง ๆ อยู่เสมอ

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ทรงโปรดการช่างเป็นพิเศษ ในสมัยทรงพระเยาว์ ทรงนำสิ่งของที่เหลือใช้ภายในพระตำหนักที่ประทับเท่าที่จะหาได้ เช่น ไม้แขวนเสื้อ มาสร้างรถไฟฟ้าเล่น มอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับทำให้รถไฟแล่นก็ทรงประดิษฐ์เอง โดยเอาลวดทองแดงมาพันเข้าเป็นแกนกลางของเครื่องมอเตอร์ ในพระตำหนักจะเต็มไปด้วยเครื่องมือช่างไม้ เครื่องจักรกล และสิ่งของที่ทรงสนพระทัย

ทรงเป็นนักประดิษฐ์คิดค้นชั้นเลิศ เห็นได้จากบทความ “ตามรอยพระยุคลบาท” ของพล.ต.อ.วสิษฐ์ เดชกุญชร ซึ่งตีพิมพ์ในหนังสือมติชนที่ว่า

“…ทรงทราบฝ่าละอองธุลีพระบาทว่า เฮลิคอปเตอร์ของกรมตำรวจที่ใช้ปฏิบัติหน้าที่สนามนั้น ไม่มีอาวุธติดกับเครื่องบิน เพราะเป็นเฮลิคอปเตอร์ธรรมดาสำหรับใช้ขนส่งทั่วไป…

เมื่อทรงทราบเช่นนั้นก็ทรงพระกรุณาพระราชทานความคิดให้ ม.ร.ว.เทพฤทธิ์ เทวกุล ซึ่งเป็นวิศวกร ไปประดิษฐ์ฐานสำหรับติดตั้งปืนกลติดกับตัวเครื่องบิน เพื่อให้นักบินสามารถยิงตรงไปทางด้านหน้าได้ด้วย”

“…พระเจ้าอยู่หัวทรงสนพระราชหฤทัยในส่วนประกอบและการทำงานของปืน M16 ถึงกับได้ทรงผ่าปืนชนิดนั้นออกเพื่อทรงศึกษากลไกและส่วนประกอบของปืน

ต่อมาในไม่ช้า ก็ทรงสามารถประกอบอาวุธปืนชนิดนั้นได้ด้วยพระองค์เอง เวลาเสด็จฯ ไปทรงเยี่ยมหน่วยทหารหน่วยตำรวจและมีผู้ถวายรายงานว่า ปืนชนิดนั้นชำรุดและไม่สามารถจะซ่อมแซมได้เพราะขาดเครื่องอะไหล่และขาดช่าง ก็ทรงพระกรุณารับปืนเหล่านั้นไป และทรงซ่อมด้วยพระหัตถ์ โดยทรงใช้ส่วนที่ยังใช้การได้ดีอยู่ของปืนกระบอกหนึ่ง ไปซ่อมส่วนที่ชำรุดเสียหายของปืนกระบอกหนึ่ง ด้วยวิธีนี้ ปืนที่เสียหลายกระบอกจึงกลายเป็นปืนที่กลับดีขึ้นมาอีก ”

“…นอกจากอาวุธปืนแล้ว พระเจ้าอยู่หัวทรงสนพระราชหฤทัยในเครื่องรับส่งวิทยุด้วย…….พระเจ้าอยู่หัวโปรดการทดลองรับส่งวิทยุกับสถานีต่าง ๆ และเมื่อรู้ว่าโปรด ก็มีผู้นำเครื่องส่งรับวิทยุมือถือขนาดเล็ก (ซึ่งเป็นของใหม่และหายากในสมัยนั้น) ไปทูลเกล้าฯถวายหลายเครื่อง

มีอยู่เครื่องหนึ่งซึ่งผู้ถวายอ้างว่า ส่วนประกอบภายในของเครื่องนั้นแยกบรรจุเอาไว้ในโมดูลเล็ก ๆ ซึ่งแข็งแรงและแน่นหนามาก แม้จะตกน้ำแล้วก็ยังใช้ได้

ผู้เห็นเหตุการณ์เล่าว่า พอกราบบังคมทูลเช่นนั้น พระเจ้าอยู่หัวก็ทรงมีพระราชกระแสรับสั่งให้นำภาชนะใส่น้ำมา แล้วทรงแช่เครื่องรับส่งวิทยุเครื่องนั้นลงในน้ำทันที เพื่อจะดูว่า หลังจากแช่น้ำแล้ว จะยังใช้ได้ดีตามที่กล่าวอ้างหรือไม่ ปรากฏว่า เครื่องรับส่งวิทยุเครื่องนั้นยังใช้การได้ดีจริง ๆ ทรงเรียกเครื่องรับส่งวิทยุเครื่องนั้นว่า “เครื่องแช่น้ำ”

นอกจากนี้ยังทรงเป็นผู้เชี่ยวชาญในด้านวิศวกรรมศาสตร์ เกษตรศาสตร์ ตัวอย่างเช่น โครงการแก้มลิง การเกษตรแบบทฤษฎีใหม่ ทรงได้รับสิทธิบัตรจากการประดิษฐ์ กังหันน้ำชัยพัฒนา อันเป็นเครื่องมือในการเติมอากาศออกซิเจนลงในน้ำ เมื่อวันที่ 2 กรกฎาคม พ.ศ.2536 ซึ่งนับเป็นสิ่งประดิษฐ์เครื่องกลเติมอากาศเครื่องที่ 9 ของโลกที่ได้รับสิทธิบัตร

ทรงได้รับการยกย่องจากคณะกรรมการสำนักงานวัฒนธรรมแห่งชาติ ประจำปีพุทธศักราช 2529 ให้เป็นองค์อัครศิลปินแห่งชาติ ทรงแสดงให้เห็นถึงพระอัจฉริยภาพทางดนตรีมาตั้งแต่ทรงพระเยาว์ โดยทรงได้รับการฝึกหัดดนตรีตั้งแต่พระชนมายุ 10 พรรษา ทรงนำพระราชทรัพย์ส่วนพระองค์ที่ทรงสะสมไว้ไปซื้อคลาริเนตมาทรงฝึกเป่า นอกจากนั้นยังสามารถทรงดนตรีอื่น ๆ ได้อีกหลายชนิด

หลังจากเสด็จขึ้นครองราชสมบัติแล้ว เมื่อมีเวลาว่าง จะทรงดนตรีกับนักดนตรี และข้าราชบริพาร ซึ่งต่อมาได้ทรงรวบรวมนักดนตรีแล้วจัดตั้งวง อ.ส.วันศุกร์ โดยทรงร่วมบรรเลงบทเพลงร่วมกับนักดนตรี ออกอากาศผ่านทางสถานีวิทยุ อ.ส.ในพระตำหนักจิตรลดารโหฐานเป็นประจำในตอนเย็นวันศุกร์ แต่ต่อมาทรงว่างเว้นการทรงดนตรีลงเนื่องด้วยพระราชกิจ

นอกจากนี้ ยังทรงจัดตั้งวงดนตรี สหายพัฒนา โดยมีสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดา ฯ ทรงเป็นหัวหน้าวง

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ทรงพระราชนิพนธ์เพลงด้วยพระองค์เองมาตั้งแต่ปีพุทธศักราช 2489 จนถึงปัจจุบัน นับได้เกือบ 50 เพลง ซึ่งล้วนเป็นบทเพลงที่ไพเราะและมีความหมายลึกซึ้ง ในพ.ศ.2507 วงดุริยางค์ เอ็นคิวโทนคุนสเลอร์ ( N.Q. Tonkunstler Orchestra) แห่งกรุงเวียนนา ได้คัดเลือกบทเพลงพระราชนิพนธ์ไปบรรเลง มีการถ่ายทอดสดไปทั่วประเทศออสเตรีย ปรากฏว่าได้รับความนิยมอย่างสูง จนสองวันต่อมา สถาบันการดนตรี และศิลปะแห่งกรุงเวียนนา ( Institute of Music and Arts of City of Vienna) โดยรัฐบาลออสเตรีย ได้ทูลเกล้า ฯ ถวายสมาชิกภาพกิตติมศักดิ์ ลำดับที่ 23 ของสถาบัน มีการจารึกพระนามลงบนแผ่นหินสลักของสถาบัน นับเป็นผู้ประพันธ์เพลงชาวเอเชียคนแรกที่ได้รับเกียรติเช่นนี้

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงโปรดการถ่ายภาพเป็นอย่างมาก สมัยทรงพระเยาว์ ทรงซื้อกล้องถ่ายรูปกล้องแรกเมื่อพระชนมายุเพียง 6 พรรษา เป็นกล้องถ่ายรูปแบบกล้องรุ่นเก่า แม้ว่าครั้งนั้นจะทรงประสบความล้มเหลวในระยะเริ่มแรก กล่าวคือ ทรงถ่ายไป 6 ใบ ได้รูปดีเพียง 1 ใบ แต่มิได้ทรงย่อท้อ ทรงศึกษาค้นคว้าต่อมาเรื่อย ๆ จนกระทั่งทรงกลายเป็นเอตทัคคะในการถ่ายรูป ทรงโปรดที่จะถ่ายรูปขาวดำมากกว่าอย่างอื่น นอกจากนี้ยังทรงเป็นช่างภาพของหนังสือพิมพ์ แสตนดาร์ดรายสัปดาห์ภาษาอังกฤษ โดยได้ทรงพระราชทานภาพฝีพระหัตถ์ให้เป็นระยะ ๆ

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวมักจะทรงนำกล้องถ่ายรูปคล้องพระศอ เสด็จออกตามถิ่นทุรกันดารอยู่เป็นประจำ จนภาพในหลวงที่มีกล้องคล้องพระศอ ในพระหัตถ์มีดินสอและแผนที่ เสด็จตามพื้นที่ทุรกันดารต่าง ๆ เป็นภาพที่คุ้นตาพสกนิกรทุกหมู่เหล่าเป็นอย่างดี

ทรงสนพระทัยในงานจิตรกรรมมาตั้งแต่ปีพุทธศักราช 2480 และเริ่มทรงเขียนภาพอย่างจริงจังตั้งแต่ พ.ศ. 2502 เป็นต้นมา มีทั้งภาพแบบ Realistic,Expressionism,Abstractionism รวมประมาณราว 100 ภาพ โดยได้พระราชทานภาพเขียนฝีพระหัตถ์ของพระองค์เข้าร่วมงานแสดงศิลปกรรมแห่งชาติ ในพ.ศ.2506 และในปีพ.ศ.2508 มหาวิทยาลัยศิลปากรได้มีมติ ทูลเกล้า ฯ ถวายปริญญาดุษฎีบัณฑิตกิตติมศักดิ์ สาขาจิตรกรรมแด่พระองค์ด้วย

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ได้ทรงพระราชนิพนธ์บทความ และทรงแปลสารคดีที่เกี่ยวข้องกับเศรษฐกิจ การทหาร และชีวประวัติบุคคลมากมายหลายเรื่อง โดย เมื่อปีพ.ศ. 25436 ได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้า ฯ ให้จัดพิมพ์บทพระราชนิพนธ์ นายอินทร์ผู้ปิดทองหลังพระ ซึ่งเป็นการแปลจากหนังสือ A Man Called Intrepid ของ William Stevenson โดยทรงใช้เวลาในการแปลถึงเกือบ3 ปี และมีการพิมพ์ซ้ำถึง 9 ครั้ง จำนวนรวม 90,000 เล่ม ในเวลาเพียง 2 เดือน ต่อมาใน พ.ศ. 2537 ได้ทรงนำบทพระราชนิพนธ์ที่ทรงแปลและเรียบเรียงมานานกว่า 20 ปีแล้ว เรื่อง ติโต ออกเผยแพร่สู่สาธารณชน และในปี พ.ศ.2539 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้า ฯ ให้จัดพิมพ์หนังสือ พระมหาชนก ที่ทรงพระราชนิพนธ์จากชาดกในพระไตรปิฎก โดยได้ทรงกำกับอักษรเทวนาครี (นอกเหนือไปจากภาษาไทยและภาษาอังกฤษ) ที่ทรงศึกษาและทรงเขียนขึ้นโดยคอมพิวเตอร์ด้วยพระองค์เอง เอาไว้อีกด้วย ทรงมีพระราชดำรัสถึงหนังสือเล่มนี้ว่า “หนังสือเรื่องนี้เป็นที่รักของข้าพเจ้า”

ในสมัยทรงพระเยาว์ ทรงโปรดฮอกกี้น้ำแข็ง และสกีหิมะ จนกระทั่งเสด็จขึ้นครองราชสมบัติ เมื่อทรงมีเวลาว่าง ก็จะทรงกีฬาเป็นการออกกำลังพระวรกายและพักผ่อนพระองค์อยู่เสมอ

กีฬาที่พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงเล่นนั้น มีหลายประเภท เช่น แบดมินตัน เทนนิส ยิงปืน วิ่งเพื่อสุขภาพ (จ๊อกกิ้ง) แต่กีฬาที่ทรงเล่นอย่างสม่ำเสมอเรื่อยมาคือ เรือใบ ทรงต่อเรือใบเพื่อใช้ทรงด้วยพระองค์เอง จนเป็นผลสำเร็จ และได้ทรงนำไปแข่งขันในกีฬาแหลมทองครั้งที่ 4 (ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็น กีฬาซีเกมส์) จนได้รับชัยชนะในการแข่งขันเรือใบประเภท โอ.เค. เมื่อวันที่ 16 ธันวาคม พ.ศ.2510 ทรงครองเหรียญทองร่วมกับสมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าอุบลรัตน์ราชกัญญา ฯ นับเป็นพระมหากษัตริย์พระองค์แรกในทวีปเอเชียที่ครองรางวัลชนะเลิศในการแข่งขันและเป็นที่ยอมรับในวงการกีฬาเรือใบระดับโลก