Công chúa không rõ tên thật, theo dã sử Đền thờ Huyền Trân công chúa tại Huế, bà được cho là hạ sinh vào năm 1289[4], mẹ công chúa có thể là Khâm Từ Bảo Thánh hoàng hậu - trưởng nữ của Hưng Đạo đại vương Trần Quốc Tuấn. Tuy nhiên, cũng có khả năng bà là con gái của Tuyên Từ hoàng hậu, em gái của Khâm Từ hoàng hậu.

Năm 1301, Thái thượng hoàng Trần Nhân Tông nhận lời mời, du ngoạn vào Chiêm Thành, được Quốc vương Chiêm Thành là Chế Mân tiếp đãi nồng hậu, có ở lại trong cung điện Chiêm Thành gần 9 tháng. Khi ra về, Thái thượng hoàng có hứa gả con gái cho Chế Mân, mặc dù khi đó Chế Mân đã có chính thất là Vương hậu Tapasi, người Java (Indonesia ngày nay). Sau đó nhiều lần, Chế Mân cử sứ sang hỏi về việc hôn lễ, nhưng nhiều quan lại nhà Trần phản đối, chỉ có Văn Túc vương Trần Đạo Tái và Nhập nội hành khiển Trần Khắc Chung chủ trương tán thành.

Năm Bính Ngọ, Hưng Long năm thứ 14 (1306), tháng 6, Chúa Chiêm Thành là Chế Mân dâng hai châu Ô, Rý (còn gọi là Lý) làm hồi môn, vua Trần Anh Tông khi đó mới đồng ý gả Công chúa Huyền Trân cho Chế Mân. Công chúa khi về Chiêm Thành, được phong làm Vương hậu thứ 2 với phong hiệu là Paramecvari [5].

Năm Đinh Mùi (1307), vào tháng 5, quốc vương Chế Mân chết. Nghĩa là chỉ một năm sau khi cuộc liên hôn giữa Đại Việt và Chiêm Thành diễn ra. Thế tử Chế Đa Da sai sứ thần Bảo Lộc Kê sang dâng voi trắng và có thể cũng để báo tang sự việc này.

Theo Đại Việt sử ký chép lại, Trần Anh Tông khi đó nghe rằng theo tục nước Chiêm, Quốc vương chết thì Vương hậu phải lên giàn hỏa để tuẫn tang. Trần Anh Tông liền cử Hành khiển Trần Khắc Chung vờ sang viếng tang, tìm cách cứu công chúa. Trần Khắc Chung thành công, cứu được công chúa và đưa xuống thuyền, đưa công chúa về Đại Việt bằng đường biển. Cuộc hải hành này kéo dài tới một năm và theo Đại Việt sử ký toàn thư thì Trần Khắc Chung đã tư thông với công chúa.

Trong cuộc hành trình trở về, công chúa còn đi theo Thế tử Đa Da, vì vậy về sau không ít người cho rằng Thế tử là con của công chúa. Tuy nhiên xét theo hành trạng có thể cử sứ thần sang báo tang, Thế tử rất có thể chẳng phải là con của Huyền Trân công chúa, và việc đi cùng với công chúa về là do lý do chính trị nào đó mà thôi.

Về sau, Đại Việt sử ký không còn bất kỳ ghi chép nào về hành trạng của công chúa.