Mắc nạn cùng cha

Cha của Duy Khiêm là Hoàng thái tử Lê Duy Vỹ, con của vua Lê Hiển Tông (ở ngôi 1740–1786), mẹ là Mẫn Thái hậu. Trước khi Trịnh Doanh chết, Thế tử Trịnh Sâm có hiềm khích sâu nặng với Duy Vĩ. Sau khi lên nối ngôi chúa, tháng 12 năm Tân Sửu (1771), Sâm bày mưu hãm hại và giết Duy Vĩ trong ngục. Lê Duy Khiêm cùng hai em là Lê Duy Trù và Lê Duy Chi đều bị bắt đem giam cầm ở ngục Đề Lãnh.[3] Năm đó, Duy Khiêm mới 6 tuổi. Chú của Duy Khiêm (em Duy Vĩ) là Duy Cận được lập làm Thái tử do sự can thiệp của Trịnh Thái phi (mẹ Trịnh Sâm).

Tháng 10 năm Nhâm Dần (1782), sau khi Trịnh Sâm mất, binh lính tam phủ làm loạn, truất thế tử Trịnh Cán, lập thế tử Trịnh Khải (Trịnh Tông), tức là loạn kiêu binh. Quân lính cũng mở ngục rước ba con của Duy Vĩ về cung. Năm đó Duy Khiêm 17 tuổi, ở trong ngục tổng cộng 11 năm.

Được lập kế vị

Duy Khiêm trở về cung, ngôi thái tử của Duy Cận bị đe dọa. Trịnh Thái phi vốn ủng hộ Duy Cận sợ Duy Cận mất ngôi thái tử, bèn sai hoạn quan là Liêm Tăng (sót họ) đến bắt ép Duy Khiêm sang chầu, để toan bí mật giết đi. Duy Khiêm từ chối không được, khóc mà ra đi.

Khi đi đường, quân tuần sát ngăn lại. Vì thế các quân lính la hét ầm ĩ, yêu cầu tra cứu người lập mưu làm hại Thái tôn. Quân lính lùng tìm Liêm Tăng không được, ngờ là Duy Cận chủ mưu. Lúc ấy, Duy Cận đang chầu Trịnh Thái phi, nghi trượng để ngoài cửa phủ đường, quân sĩ đều đập phá tan nát. Duy Cận sợ, phải thay đổi quần áo đi lẻn về cung. Duy Khiêm thoát nạn.

Trịnh Khải biết việc này là do thái phi gây ra, bèn dụ quân sĩ thôi làm huyên náo, rồi hạ lệnh cho bầy tôi trong triều xin nhà vua Hiển Tông lập Duy Khiêm làm Hoàng thái tôn, lại bắt Duy Cận làm tờ biểu nhường ngôi thái tử.

Tháng giêng năm 1783, Duy Khiêm với cương vị là cháu trưởng, được ông nội lập làm Hoàng thái tôn, còn chú Duy Cận bị truất làm Sùng Nhượng công. Lúc ấy Duy Khiêm 18 tuổi.