Hán Nguyên Đế Lưu Thích sinh năm 76 TCN, là con trai trưởng của Hán Tuyên Đế Lưu Tuân và Cung Ai hoàng hậu Hứa Bình Quân. Khi sinh ra, cha mẹ ông khi đó vẫn là những người hoàng thất không danh phận, do ông nội của Tuyên Đế là Lệ thái tử Lưu Cứ, con trưởng của Hán Vũ Đế Lưu Triệt, bị trọng tội và gia cảnh trở nên bần hàn.

Năm 74 TCN, Hán Chiêu Đế Lưu Phất lăng băng hà mà không có con nối. Đại thần Hoắc Quang lập Xương Ấp vương Lưu Hạ kế vị, nhưng không lâu sau lại phế truất. Hoắc Quang tìm kiếm người hoàng tộc còn lưu lại trong dân gian, và khi đó Hoắc Quang đã biết đến sự tồn tại của Tuyên Đế. Sau khi lên ngôi, Tuyên Đế phong Hứa Bình Quân làm Hoàng hậu. Điều này khiến Hoắc phu nhân vợ của Hoắc Quang không vừa ý, vì bà ta muốn con gái mình Hoắc Thành Quân làm Hoàng hậu. Năm 71 TCN, trong một đợt Hứa hoàng hậu mang thai lần thứ 2, Hoắc phu nhân đã sai nữ y bỏ thuốc vào khiến 2 mẹ con Hứa hoàng hậu đều cùng chết. Tiếc thương cho Hứa hoàng hậu, Tuyên Đế truy thụy bà làm Cung Ai hoàng hậu (恭哀皇后). Lưu Thích khi đó mới 6 tuổi.

Năm 70 TCN, Tuyên Đế phong Hoắc Thành Quân làm Hoàng hậu, đồng thời phong Lưu Thích làm Hoàng thái tử, phong cha Hứa hoàng hậu là Hứa Quảng Hán (許廣漢) làm Bình Ân hầu (平恩侯). Điều này khiến nhà họ Hoắc không vừa lòng, và mẹ con Hoắc hoàng hậu âm mưu quyết định giết hại Thái tử.

Năm 66 TCN, Tuyên Đế điều tra về cái chết của Hứa hoàng hậu, bắt tội cả nhà họ Hoắc, còn Hoắc hoàng hậu thì bị phế truất. Năm 64 TCN, Vương tiệp dư được sắc phong làm Hoàng hậu, và Thái tử Lưu Thích được Vương hoàng hậu yêu thương, chăm sóc tử tế từ đó. Khi đến tuổi đọc sách, ông được học bởi các thầy giáo theo Nho giáo, và từ đó có ảnh hưởng rất lớn đến ông. Hán Tuyên Đế lại xem Nho giáo là những học thuyết không thực tế, và trở nên gay gắt việc đam mê Nho giáo của Thái tử. Tuyên Đế nhiều lần muốn phế Lưu Thích, do Tuyên Đế nhận thấy Thái tử càng lớn càng tỏ ra yếu đuối, nhu nhược chỉ có tác phong của một Nho sinh chứ không có khí chất của bậc Thiên tử. Ngược lại, Tuyên Đế lại đánh giá cao vị hoàng tử thứ ba của mình là Sở vương Lưu Hiêu, bởi vì vị hoàng tử này ngay từ nhỏ đã rất thông minh, đĩnh đạc, càng lớn càng thể hiện rõ bản thân là người có tài năng cũng như khí chất phi phàm nên Tuyên đế rất sủng ái ông ta và đã rất nhiều lần muốn lập ông ta làm Thái tử thay cho Lưu Thích. Nhưng do nhiều đại thần đứng ra khuyên can rằng Thái tử chưa bao giờ gây ra lỗi lầm gì, lại thêm trong quá trình xử lý chính sự quốc gia cũng có nhiều hành động rất thoả đáng, quan trọng nhất là ông vốn là con của tiên hậu quá cố Hứa Bình Quân nên con của chính thất bao giờ cũng nên được ưu tiên hơn con thứ thiếp nên đã khiến Tuyên Đế thay đổi quyết định phế lập Thái tử do Đế lúc đó còn quá nặng tình với Hứa hoàng hậu quá cố. Vì thế mà ngôi Thái tử của Lưu Thích mới được bảo toàn vững chắc.

Năm 49 TCN, Hiếu Tuyên hoàng đế băng hà, Thái tử Lưu Thích lên ngôi, năm đó ông 27 tuổi. Trước khi qua đời, Tuyên Đế phó thác ông cho Sử Cao (史高), Chu Kham (周堪) và Tiêu Vọng Chi (蕭望之).