Lưu Khải là con thứ tư của Hán Văn Đế Lưu Hằng, mẹ là Hiếu Văn hoàng hậu Đậu thị, trước khi sinh ra ông năm 188 TCN đã sinh ra chị ông là Lưu Phiếu. Khi Lưu Khải ra đời, Lưu Hằng vẫn đang là Đại vương (代王), cai trị nước Đại, nơi có thủ phủ là Tấn Dương (晉陽; hiện nay là Thái Nguyên, Sơn Tây). Vì vợ cả của Lưu Hằng và 3 người con đầu do bà này sinh ra đều mất sớm nên Lưu Khải trở thành con đích của Đại vương Hằng.

Năm 180 TCN, Lã Thái hậu qua đời, quần thần đón Đại vương Hằng về kinh trở thành tân Hán Đế. Lưu Khải năm đó lên 9 tuổi, được lập làm Hoàng thái tử, mẹ ông là Đậu thị trở thành Hoàng hậu.

Khi còn là Thái tử, Lưu Khải được giáo dục trở nên đầy lòng trắc ẩn, ông bị ảnh hưởng mạnh bởi mẹ ông là Đậu hoàng hậu, được giáo dục chặt chẽ về Đạo giáo. Ông cũng rất thân thiết với người chị Lưu Phiếu và người em là Lưu Vũ, cả hai cũng do Đậu hoàng hậu sinh ra. Khi đến tuổi mở phủ đệ riêng, ông được theo học Tiều Thố (晁錯), một người học thức uyên thâm và có nhiều chính sách cứng rắn. Tiều Thố rất được Lưu Khải kính trọng và được Thái tử tin cậy nhất. Nhưng mặt khác, Lưu Khải cũng là một kẻ ham hưởng lạc, chơi bời lêu lổng, khiến cho Văn Đế hết sức không hài lòng và từng có ý định phế ngôi Thái tử của ông, thay bằng người em trai cùng mẹ của ông là Lưu Vũ. Nhưng do nhiều đại thần đứng ra can gián và nhất mực bảo vệ thái tử Khải nên Văn Đế đã suy nghĩ lại và quyết định bỏ ý định phế thái tử.

Năm 157 TCN, Hán Văn Đế băng hà, Thái tử Lưu Khải lên kế vị ở tuổi 32, tức vua Hán Cảnh Đế.