Thái Tông Hoàng đế tên thật là Lý Phật Mã (李佛瑪), còn có tên khác là Lý Đức Chính (李德政), là con trưởng của Lý Thái Tổ. Ông sinh vào ngày 29 tháng 7 năm 1000 tại kinh đô Hoa Lư, Ninh Bình, lúc này Lý Thái Tổ vẫn còn làm quan dưới triều Nhà Tiền Lê.

Về mẹ của vua, trong chính sử như Đại Việt sử ký toàn thư[1] viết:

Về sau, các nhà nghiên cứu lịch sử dựa theo các thần tích, thần phả Hán Nôm ở khu vực Cố đô Hoa Lư khẳng định mẹ Lý Phật Mã là Lê Thị Phất Ngân, con gái Lê Đại Hành và Dương Vân Nga.[3][4]

Như vậy, ông chính là cháu ngoại của Lê Đại Hành và Dương Vân Nga.

Ông sinh ngày 26 tháng 6 âm lịch năm Canh Tý niên hiệu Ứng Thiên thứ 7 thời Tiền Lê (tức 29 tháng 7 năm 1000) ở chùa Duyên Ninh trong kinh đô Hoa Lư. Theo Đại Việt sử ký toàn thư, khi ông mới sinh, ở phủ Trường Yên có con trâu của nhà dân tự nhiên thay sừng khác, người có trâu ấy cho là điềm không lành, lấy làm lo ngại. Có người giỏi chiêm nghiệm đi qua nhà người ấy cười mà nói rằng: "Đó là điềm đổi mới thôi, can dự gì đến nhà anh" thì người ấy mới hết lo.[5] Tương truyền thuở nhỏ ông đã có 7 nốt ruồi sau gáy như chòm sao thất tinh (sao Bắc Đẩu).

Khi còn nhỏ, cùng bọn trẻ con chơi đùa, có thể sai bảo được chúng, bắt chúng đi dàn hầu trước sau và hai bên như nghi vệ các quan theo hầu thiên tử. Thái Tổ thấy thế vui lòng, nhân nói đùa rằng: Con nhà tướng nên bắt chước việc quân, cần gì phải kẻ rước người hầu?, ông tuy còn ít tuổi nhưng trả lời ngay rằng: Kẻ rước người hầu thì có xa lạ gì với con nhà tướng? Nếu xa lạ thì sao ngôi vị không ở mãi họ Đinh mà lại về họ Lê, đều do mệnh trời thôi. Thái Tổ kinh lạ, từ đấy càng yêu quý hơn.

Năm 1010, khi ông lên 10 tuổi thì triều đình Nhà Lý dời kinh đô từ Hoa Lư (Ninh Bình) về Thăng Long (Hà Nội ngày nay).