Elizaveta sinh tại Kolomenskoye, gần Moskva, vào ngày 18 tháng 12 (theo lịch cũ). Bà là con gái của Peter Đại Đế và Hoàng hậu Yekaterina, người về sau trở thành Nga hoàng sau khi Peter Đại Đế băng hà. Yekaterina từng là thị nữ trong dinh thự của Peter, và dù không có sách vở chính thức ghi lại, nhưng người đời nhận định Yekaterina và Peter đã lén tổ chức một cuộc hôn lễ tại nhà thờ lớn ở St. Petersburg. Thời gian được xác định vào khoảng 23 tháng 10 đến 1 tháng 12 trong năm 1707[2]. Về sau, Peter chính thức tổ chức hôn lễ long trọng với Yekaterina trong Thánh đường Thánh Isaac tại St. Petersburg vào ngày 9 tháng 12 năm 1712, và lúc này thì Elizaveta cùng chị gái là Anna Petrovna chính thức được công nhận là con hợp pháp.

Về việc này, về sau các đối thủ chính trị đã dùng để chất vấn tư cách kế vị ngai vàng Đế quốc Nga của Elizaveta về sau.

Một trong 2 người con duy nhất sống đến tuổi trưởng thành của Peter Đại Đế, Elizaveta cùng chị là Anna được ban danh hiệu Tsarevna vào ngày 6 tháng 3 năm 1711 và danh hiệu Tsesarevich vào ngày 23 tháng 12 năm 1721, với tư cách là người thừa kế ngai vàng Nga của Peter Đại Đế[3]. Trước đó, Peter Đại Đế có người con trai là Alexei Petrovich, con riêng của Peter với người vợ đầu là Eudoxia Lopukhina, sau đó đã được định làm Tsarevich. Tuy nhiên, Tsarevich qua đời vào năm 1718 nên vị trí chuyển về 2 chị em bà.

Khi còn là một đứa trẻ, Elizaveta rất được cha là Hoàng đế Peter yêu mến vì sự thông minh và rất giống ông. Bà được đánh giá là xinh đẹp và thông minh nhưng không nhận được một nền giáo dục có hệ thống tốt[4]. Thậm chí, tuy Peter yêu thích con gái, nhưng bản thân ông cũng chưa hề đặt nặng sự giáo dục cho bà. Khi đó, ông có một người con trai (Alexei Petrovich) và một cháu trai, nên không hề mảy may đến việc một ngày, con gái ông có thể trở thành Nga hoàng.

Việc giáo dục 2 người con gái được Hoàng hậu Yekaterina lo liệu, nhưng bản thân bà cũng là một người ít học. Elizaveta được một gia sư người Pháp dạy dỗ, và bà thông theo tiếng Ý, tiếng Đức và tiếng Pháp[5]. Ngoài ra, bà rất thành thạo những môn thể thao tỉ như cưỡi ngựa và khiêu vũ. Khi trưởng thành, bà làm người ta kinh ngạc bởi vẻ đẹp xuất chúng của mình, và nhanh chóng trở thành một biểu tượng sắc đẹp của Đế quốc Nga[5].