Lý Thần Tông tên thật là Lý Dương Hoán (李陽煥), sinh vào tháng 6 âm lịch năm 1116 tại kinh đô Thăng Long (Hà Nội), là con trai của Sùng Hiền hầu (em trai của Lý Nhân Tông), tức là cháu gọi Nhân Tông bằng bác. Mẹ ông là Đỗ Phu nhân, là chị của Đỗ Anh Vũ.

Có ý kiến cho rằng, Lý Thần Tông là hậu thân của Thiền sư Từ Đạo Hạnh. Sách Đại Việt Sử ký Toàn thư, quyển III ghi lại việc Từ Đạo Hạnh thoát xác tại chùa núi Thạch Thất năm 1116, ngay trước khi Lý Dương Hoán ra đời. Người xưa cho rằng vì Lý Nhân Tông không có con nên Từ Đạo Hạnh đầu thai làm con trai Sùng Hiền hầu để duy trì sự nghiệp của nhà Lý.