Lưu Ngao sinh năm 51 TCN, là con trưởng của Hán Nguyên Đế Lưu Thích và Hiếu Nguyên hoàng hậu Vương Chính Quân. Khi còn nhỏ, ông nổi tiếng thông minh và rất được ông nội Hán Tuyên Đế Lưu Tuân yêu quý. Lưu Ngao thích đọc kinh thư, biết nhiều và rất khiêm tốn, cẩn thận. Năm Lưu Ngao lên 2 tuổi (49 TCN), ông nội là Hán Tuyên Đế qua đời, thái tử Thích lên nối ngôi, tức là Hán Nguyên Đế.

Năm 46 TCN, Vương Chính Quân được lập làm Hoàng hậu, Lưu Ngao được phong làm Thái tử. Năm đó ông lên 6 tuổi.

Càng lớn, Hán Nguyên Đế càng không thích tác phong của Lưu Ngao mà lại thích con trai của Phó Chiêu nghi - Sơn Dương vương Lưu Khang. Năm 35 TCN, em trai út của Hán Nguyên Đế là Trung Sơn vương Lưu Cánh mất, Lưu Ngao đã tỏ thái độ thiếu tôn trọng với Trung Sơn vương khiến Nguyên Đế rất giận.

Hán Nguyên Đế yêu thích âm nhạc, và Lưu Khang đã ra sức học thổi sáo, chơi trống rất tài năng khiến Nguyên Đế rất vui, trong khi đó Lưu Ngao lại chỉ thích rượu chè, gái đẹp và những trò hưởng lạc. Vào một hôm, Nguyên Đế ngã bệnh, Phó chiêu nghi và Lưu Khang thường xuyên được vời vào hầu bệnh, dưới tác động của Phó chiêu nghi, Nguyên Đế muốn ra chỉ thay ngôi Thái tử nhưng đại thần Sử Đan (史丹) khuyên can mới thôi được.