Ông có tên húy là Lê Tư Thành (思誠), là con trai thứ tư của Lê Thái Tông (Lê Nguyên Long, trị vì 1433–1442). Mẹ của ông là Ngô Thị Ngọc Dao, người làng Động Bàng, huyện Yên Định, phủ Thanh Hóa. Cha bà là Ngô Từ, gia thần của Lê Thái Tổ, làm đến chức Thái bảo. Chị gái Ngô Thị Ngọc Dao tên Xuân, vào hầu Lê Thái Tông ở hậu cung. Ngô Thị Ngọc Dao theo chị vào nội đình, Lê Thái Tông thấy liền gọi vào cho làm cung tần.[15]

Tháng 6, năm Đại Bảo thứ nhất (1440), Ngô thị nhập cung khi 14 tuổi, được phong làm Tiệp dư (婕妤), ở tại cung Khánh Phương. Sinh thời Ngô Tiệp dư sùng Phật giáo thường cầu tự, một hôm mộng thấy Thượng đế ban cho một vị tiên đồng, bèn có mang. Bà sinh Lê Tư Thành vào ngày 20 tháng 7 âm lịch (25 tháng 8 dương lịch) năm Đại Bảo thứ 3 (1442).[15]

Khi Lê Tư Thành sinh ra, ông được bộ quốc sử Đại Việt đời Lê, Đại Việt sử ký toàn thư miêu tả: "Thiên tư tuyệt đẹp, thần sắc khác thường, vẻ người tuấn tú, nhân hậu, rạng rỡ, nghiêm trang, thực là bậc thông minh xứng đáng làm vua, bậc trí dũng đủ để giữ nước".[16]

Ngày 27 tháng 7 âm lịch năm 1442, Lê Thái Tông đi tuần về miền Đông thì bị bệnh mất ở tuổi 20. Các quan nhận di chiếu tôn Thái tử Bang Cơ (con Thần phi Nguyễn Thị Anh) lên ngôi, tức Hoàng đế Lê Nhân Tông. Năm 1445, Lê Nhân Tông hạ chiếu phong Lê Tư Thành làm Bình Nguyên vương (平原王), làm phiên vương vào ở kinh sư, học cùng các vương khác ở Kinh diên. Các quan ở Kinh diên như Trần Phong thấy Bình Nguyên vương dáng điệu đường hoàng, thông minh hơn hẳn người khác, nên họ cho ông là bậc khác thường. Bình Nguyên vương lại càng sống kín đáo, không lộ vẻ anh minh ra ngoài, chỉ vui với sách vở cổ kim, nghĩa lý thánh hiền, ưa điều thiện, thích người hiền, chăm chỉ không biết mệt mỏi. Bình Nguyên vương được Thái hậu Nguyễn Thị Anh yêu mến như con đẻ, và được Nhân Tông coi như người em hiếm có.[16]