Lưu Uyên là thành viên quý tộc Hung Nô, ông là hậu duệ của các thiền vu thuộc gia tộc Luyên Đê (欒提), các thiền vu cùng với thần dân của họ từ lâu đã là các chư hầu trung thành của nhà Hán, và sau đó là với các triều đại kế thừa nhà Hán là Tào Ngụy và nhà Tấn. Vào cuối thời Tào Ngụy hoặc đầu thời Tấn, các quý tộc Hung Nô tuyên bố rằng họ có gốc từ nhà Hán thông qua việc một công chúa nhà Hán đã kết hôn với vị thiền vu đầu tiên trong lịch sử người Hung Nô, Mặc Đốn thiền vu, và do đó cải họ thành "Lưu", cũng là họ của hoàng tộc nhà Hán. Cha của Lưu Uyên là Lưu Báo, người này là con trai của thiền vu Nam Hung Nô cuối cùng, Ư Phu La, và là cháu trai của thiền vu Hô Trù Tuyền (trước khi Tào Tháo bãi bỏ chức vụ năm 216 và chia người Hung Nô thành năm bộ), ông là lãnh đạo của Tả bộ (左部). Cả năm bộ đều định cư tại miền nam Sơn Tây ngày nay, nên có khả năng đó cũng là nơi Lưu Uyên được sinh ra.

Mẹ của Lưu Uyên là Hô Diên yên chi, xuất thân từ quý tộc Hung Nô, và có thể là vợ Lưu Báo và không phải là thê thiếp. Một số nguồn cho rằng Lưu Uyên là con của của Thái Chiêu Cơ.