Tháng Giêng năm 1764, vua Lê Hiển Tông lập Lê Duy Vĩ làm Hoàng thái tử mà không có sự can thiệp của Trịnh Doanh. Đây là điều chưa từng có tiền lệ trước đó. Quan hệ giữa Trịnh Doanh và thái tử Lê Duy Vĩ, của Hiển Tông, cũng rất tốt đẹp.

"Thái tử xưa vóc người đẹp đẽ, tư chất thông minh. Thấy nhà vua bị mất quyền, Thái tử căm tức lắm, thường vẫn khảng khái nuôi chí thu phục lại quyền bính. Thái tử lại từng xem khắp kinh sử, yêu mến các nho sinh; nên hào kiệt trong thiên hạ không ai là không ngưỡng vọng... Khi ấy, Chính phi của Trịnh Doanh không có con trai, chỉ sinh được một con gái, tức là quận chúa Tiên Dung. Tiên Dung được Chúa hết sức yêu chiều. Năm nàng mới 10 tuổi, Chính phi xin với Chúa gả con gái cho Thái tử Lê Duy Vĩ để sau này làm hoàng hậu và Trịnh Doanh bằng lòng."

Tiên Dung quận chúa đã đính hôn với Thái tử Duy Vĩ nhưng chưa thành hôn thì quận chúa đã tạ thế. Sau khi khâm liệm, truy phong làm Hoàng thái tử phi. Lễ thành phục (mặc đồ tang phục tưởng nhớ sau khi tạ thế 4 ngày) làm ở dinh bà Liêu công phu nhân là bảo mẫu của quận chúa.[1].

Sách Đại Việt sử ký tục biên viết ngắn gọn như sau: “Lúc Sâm làm thế tử vẫn ghen ghét thái tử”. Vụ việc căng thẳng xảy ra trong một bữa ăn ở phủ chúa, Khâm định Việt sử thông giám cương mục cho hay:

Thái tử có lần cùng với Trịnh Sâm gặp nhau ở phủ đường, được chúa giữ lại ban cơm và bảo hai người cùng ngồi chung một mâm. Bà Chính phi họ Nguyễn, cũng là mẹ vợ Thái tử, ngăn lại và bảo rằng: “Thái tử và Thế tử, danh phận là vua tôi, sao lại có thể cùng ngồi chung một mâm được? Nên phân biệt ngồi làm hai chiếu”; bèn sai người đưa Thế tử sang mâm khác. Sâm đổi nét mặt, bước ra về, nói với người ngoài rằng: "Ta với Duy Vĩ hai người, phải một chết một sống, quyết không song song cùng đứng với nhau được".Lúc Sâm lên ngôi chúa, bèn mưu cùng nội thần Hoàng Ngũ Phúc, Phạm Huy Đĩnh vu tội cho Thái tử. Khi ấy Sâm vu cho Thái tử thông dâm với cung nhân của Ân vương, chúng đem sự trạng tâu lên vua, xin bắt Thái tử giam lại. Sâm sai Phạm Huy Đĩnh đem thân binh vào điện bắt Thái tử. Trước đấy giếng núi Tam Sơn ở sau cung điện bỗng có tiếng vang như sấm, Thái tử tin thuật số, biết là tất sẽ bị nạn, nói để vua biết, vua cũng làm lễ cầu cho Thái tử thoát nạn. Đến bấy giờ Đĩnh đến, Thái tử biết tai họa đã xảy ra, Thái tử bèn trốn vào tẩm điện của vua. Đĩnh vào Đông cung tìm Thái tử không được, bèn vào thẳng điện đình kể tội trạng Thái tử và nói với vua rằng: "Tôi nghe Thái tử ẩn trong điện, xin bắt giao cho tôi!". Nhà vua ôm Thái tử hồi lâu không nỡ buông ra. Đĩnh cứ quỳ mãi ở dưới sân, Thái tử biết không thoát được, khóc lạy ở trước giường vua rồi ra chịu trói. Đĩnh đưa Thái tử về trong phủ Chúa, Sâm sai giam lại, tra kết thành án, bắt vua ký vào rồi phế Thái tử làm dân thường. Sau đó, Trịnh Sâm lại ép nhà vua lập người con thứ tư là Lê Duy Cận làm hoàng thái tử.

Dường như Thái tử Lê Duy Vĩ biết trước sẽ gặp nạn: “Trước đây giếng núi Tam Sơn ở sau cung điện bỗng có tiếng vang như sấm. Thái tử tin thuật số, biết là tất sẽ bị nạn, nói để vua biết. Vua cũng làm lễ cầu đảo cho Thái tử thoát nạn. Lúc bấy giờ Đĩnh đến, Thái tử biết tai họa đã xảy ra” [2]. Sách Hoàng Lê nhất thống chí thì viết, trước điềm lạ ấy, “Thái tử dùng thuật số để bói, biết mình sắp gặp nạn”.