Theo "Phụng Dương Công chúa thần đạo bi", một trong những thông tin cổ duy nhất còn sót lại về lai lịch Công chúa, thì bà là con gái của Tướng quốc Thái sư (không rõ tên) và Tuệ Chân phu nhân (không rõ lai lịch).

Văn bia không hề ghi rõ tên bà là gì, và cũng không đề cập trực tiếp tên cha bà mà chỉ ghi Tướng quốc Thái sư. Theo nhiều suy đoán ban đầu, vị "Thái sư" này là Trần Thủ Độ, và nhận định Phụng Dương thuộc hàng cô của Trần Quang Khải. Thế nhưng khi tra xét lại, Trần Thủ Độ vào lúc qua đời đã truy phong làm Vương, truy tước ["Thượng phụ Thái sư"], và tuy ông sinh thời từng là Thái sư nhưng có tước danh khác hẳn (là Thái sư thống quốc hành quân vụ chinh thảo sư và Thống quốc thái sư). Xét trong Đại Việt Sử ký Toàn thư, các kỷ thời đại Trần Thái Tông và Trần Thánh Tông có đề cập đến Khâm Thiên đại vương Trần Nhật Hiệu, em út cùng mẹ của Trần Thái Tông, sinh thời là Thái úy, sau khi chết (năm 1269) thì được truy tặng là ["Tướng quốc Thái sư"], hoàn toàn khớp với chức danh của văn bia. Như vậy cha Phụng Dương Công chúa theo lý mà nói nên thì là Trần Nhật Hiệu hơn là Trần Thủ Độ. Như vậy thì Phụng Dương Công chúa là em họ Trần Quang Khải.

Từ nhỏ, bà đã nổi tiếng thông minh và rất mực hiền hậu, được Trần Thái Tông đem về cung nhận làm con nuôi, cho phong hiệu Phụng Dương Công chúa. Từ đó Phụng Dương sống trong cung như một hoàng nữ.