Lưu hoàng hậu xuất thân từ gia tộc ở Bành Thành, Từ Châu, gia cảnh nhiều đời làm quan. Tằng tổ phụ là Lưu Tử Tương (劉子将), làm Thứ sử Hòa Châu thời Bắc Tề, ông nội là Hình bộ Thượng thư Lưu Đức Uy (劉德威), một đại thần thời Đường Thái Tông, sau khi mất tặng Thượng thư bộ Lễ, U Châu Đô đốc, còn được táng vào nơi chuyên nhập táng các danh thần thời Đường là Hiến lăng (獻陵). Cha của Lưu hoàng hậu là Thiểm Châu thứ sử Lưu Diên Cảnh (劉延景), là con trai thứ của Lưu Đức Uy với Bình Thọ huyện chúa (平寿县主).

Khoảng năm Nghi Phượng (từ 676 - 679), dưới triều của Đường Cao Tông Lý Trị, Lưu thị trở thành thiếp của Tương vương Lý Đán, hiệu Nhụ nhân (孺人). Sau đó, Lưu thị hạ sinh ra ba con là Ninh vương Lý Thành Khí và hai công chúa là Thọ Xương công chúa (壽昌公主) và Đại Quốc công chúa (代國公主), nên chính thức trở thành Vương phi. Đương thời bà có tiếng hiền, được Cao Tông trong một yến hội đánh giá cao[1].

Năm Văn Minh nguyên niên (684), sau khi Đường Cao Tông Lý Trị băng hà, Hoàng thái tử Lý Hiển nối ngôi, trở thành Đường Trung Tông. Tuy nhiên, chỉ sau khoảng 2 tháng là bị mẹ là Hoàng thái hậu Võ Tắc Thiên phế truất. Em trai của Trung Tông là Lý Đán được đưa lên làm Hoàng đế thay thế, tức Đường Duệ Tông. Lưu vương phi được lập làm Hoàng hậu. Con trai Lưu hoàng hậu là Lý Thành Khí được lập làm Hoàng thái tử.

Năm Tái Sơ thứ 2 (690), dưới áp lực của các phe cánh, Duệ Tông nhường ngôi cho mẹ mình là Võ hậu, bà chính thức trở thành Hoàng đế Võ Chu, làm gián đoạn nhà Đường. Với tư cách con trai của Võ Hoàng, Duệ Tông trở thành Trữ quân, nhưng nhận tước hiệu [Hoàng tự; 皇嗣] thay vì Thái tử, đổi họ Lý thành họ Võ. Lưu hậu sau 7 năm tại ngôi bị giáng xuống làm [Hoàng tự phi; 皇嗣妃].