Nguyễn Quang Toản còn có tên gọi khác là Trát, là con trai đích trưởng của vua Quang Trung. Mẫu thân ông là bà Phạm Thị Liên, Chánh cung Hoàng hậu của Quang Trung. Bà Phạm Thị Liên là chị em khác cha cùng mẹ với Thượng thư Bộ Hình Bùi Văn Nhựt và Thái sư Bùi Đắc Tuyên. Bà có với Quang Trung 3 trai, 2 gái, trong đó Quang Toản là Hoàng đích trưởng tử[3]. Trước ông có một người anh trai tên là Quang Thuỳ do vợ thứ sinh ra, vì thế Quang Toản là người đúng đầu danh sách kế vị dù còn nhỏ tuổi. Trước kia vua Quang Trung sai một người tên là Phạm Văn Trị đóng giả mình đến chầu vua Càn Long nhà Thanh. Vua Càn Long nước Thanh khi đó tưởng Quang Thùy là con trưởng, bèn phong cho làm Thế tử, sau biết Thùy là con vợ thứ, mới đổi phong cho Toản, và ban cho Toản một cái ngọc đai bằng ngọc, hà đai bằng gấm.[4] Nhận xét về Thái tử Quang Toản, vua Quang Trung có nói:[5]

Tháng 7 năm 1792, Nguyễn Huệ chết, di mệnh cho Trần Văn Kỷ và Trần Quang Diệu phò tá Thái tử, và thiên đô sang Nghệ An (Phượng Hoàng Trung Đô). Khi đó Quang Toản mới 10 tuổi lên ngôi, lấy niên hiệu là Cảnh Thịnh, sai Ngô Thời Nhiệm sang nước Tàu báo tang và cầu phong. Ngô Thời Nhiệm chưa ra khỏi cửa quan thì vua Thanh đã biết chuyện trước, sai quan Án sát Quảng Tây là Thành Lâm đến Bắc thành phong cho Quang Toản làm An Nam quốc vương,[6] Quang Toản bèn sai người khác đóng giả mình để tiếp nhận. Sứ nhà Thanh biết chuyện nhưng cũng không có động thái gì.[5][7]