Lý Tự Nguyên chào đời với tên Sa Đà là Mạt Cát Liệt ở Ứng châu [10], chứ không có tên theo gốc tích của ông vốn là người Thổ di cư.[11] Thân phụ của ông, được sử cũ gọi theo tên Hán là Lý Nghê (李霓), là tướng quân dưới trước Lý Quốc Xương, thủ lĩnh người Sa Đà được triều đình nhà Đường ban tên chữ Hán. Ông là con trai trưởng của Lý Nghê. Mẫu thân ông họ Lưu, về sau được truy tặng là Tống quốc phu nhân.[5]

Tuy nhiên năm 878, Lý Quốc Xương và con trai ông ta Lý Khắc Dụng khởi binh phản Đường. Năm 880, họ bị đánh bại bởi liên quân của Tiết độ sứ Lý Trác và thủ lĩnh Thổ Dục Hồn Hách Liên Đạc,[5] và quân Sa Đà chạy trốn lên phía bắc, đến Tấn Sơn nơi họ trú ẩn trong thôn làng của người Mạt Hạt.[12] Một thời gian sau cái chết của Lý Nghệ (trước thất bại của Lý Quốc Xương và Lý Khắc Dụng) năm 879 (năm ấy Mạt Cát Liệt lên 12), Lý Quốc Xương đưa ông về làm người hộ vệ, kĩ năng bắn cung điêu luyện của ông có lẽ được dạy dỗ từ người cha. Sử cho biết rằng thời niên thiếu ông không bao giờ bắn hụt một con chim nào đang bay trên trời vào những dịp đi săn.[5]