Ông tên thật là Lý Nhật Tôn (李日尊), là con trưởng của Lý Thái Tông và Linh Cảm Hoàng hậu họ Mai. Ông sinh ngày 25 tháng 2 năm Quý Hợi niên hiệu Thuận Thiên thứ 14 (tức ngày 30 tháng 3 năm 1023) tại cung Long Đức vào cuối thời Lý Thái Tổ.[4][3] Tháng 5 âm lịch năm 1028, ngay sau khi lên ngôi, Lý Thái Tông sách phong Lý Nhật Tôn làm Thái tử.[3][5]

Theo sách Đại Việt sử lược, Thái tử Nhật Tôn sớm trở nên "tinh thông kinh truyện, hiểu âm luật, lại càng giỏi về võ lược".[4] Tháng 8 âm lịch năm 1033, Lý Thái Tông phong ông tước Khai Hoàng vương (開皇王) và dựng cung Long Đức làm nơi ở cho ông. Ông đã sớm được tiếp xúc với dân chúng, nên hiểu được nỗi khổ của dân và thông thạo nhiều việc.[6]

Tháng 2 âm lịch năm 1037, ông được Thái Tông phong làm Đại Nguyên soái, cùng cha đi dẹp quân nổi dậy ở Lâm Tây (Lai Châu) và giành được chiến thắng.[7]

Tháng 2 âm lịch năm 1039, Lý Thái Tông thân chinh đi đánh Nùng Tồn Phúc ở mạn tây bắc. Thái tử Nhật Tôn mới 17 tuổi được cử làm Giám quốc, coi sóc kinh thành và việc triều chính.[7]

Ngày 1 tháng 4 âm lịch năm 1040, ông lại được Lý Thái Tông giao quyền xét xử các vụ kiện tụng trong nước, lập cơ quan ở điện Quảng Vũ. Sử thần đời Lê sơ Ngô Sĩ Liên trong Đại Việt Sử ký Toàn thư chỉ trích quyết định này của Thái Tông:[8]

Chức việc của thái tử, ngoài việc thăm hỏi hầu cơm vua ra, khi ở lại giữ nước thì gọi là Giám quốc, khi đem quân đi thì gọi là Phủ quân, có thế mà thôi, chưa nghe thấy sai xử kiện bao giờ. Phàm xử kiện là việc của Hữu ty. Thái Tông sai Khai Hoàng vương làm việc đó không phải là chức phận của thái tử, lại lấy điện Quảng Vũ làm nơi Vương xử kiện là không đúng chỗ.

Mùa đông năm 1042, cư dân châu Văn (nay thuộc Lạng Sơn) làm binh biến.[9] Ngày 1 tháng 10 âm lịch năm đó, Thái Tông phong Nhật Tôn làm Đô thống Đại Nguyên soái, chỉ huy quân đội đi trấn áp. Đến ngày 1 tháng 3 âm lịch năm 1043, ông lại được cử làm Đô thống Đại Nguyên soái đi dẹp loạn ở châu Ái (nay thuộc Thanh Hóa).[9][10] Đại Việt sử lược chép rằng: "Thánh Tông... đánh dẹp giặc giã, tới đâu cũng đều đánh thắng được cả".[4]

Cuối năm 1043, Lý Thái Tông thấy Chiêm Thành đã 16 năm không chịu sang cống, bèn quyết ý chinh phạt phương Nam. Mùa xuân năm 1044, Thái Tông tự làm tướng đi đánh Chiêm Thành, giao cho Thái tử Nhật Tôn làm Lưu thủ kinh sư. Trên mặt trận, quân Việt thắng to ở sông Ngũ Bồ, giết chết chúa Chiêm là Sạ Đẩu, chiếm quốc đô Phật Thệ trong một thời gian rồi về nước [9][11]