Nguyên Thánh Hoàng hậu có cha là Khâm Minh Đại vương Trần Liễu, con trưởng của Thái Tổ Trần Thừa và anh ruột của Trần Thái Tông Trần Cảnh, trong thời gian còn sống thì Trần Liễu hay được biết đến qua tước hiệu An Sinh vương (安生王). Bà gọi Thái Tông bằng chú, Thái thượng hoàng Trần Thừa bằng ông nội. Mẹ bà không được ghi chép lại, có lẽ là Thiện Đạo quốc mẫu, húy là Nguyệt - được cho là Kế thất của An Sinh vương[4]. Bà có các anh là Tuệ Trung Thượng sĩ Trần Tung, Vũ Thành vương Trần Doãn, Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn và Tĩnh Quốc vương Trần Quốc Khang, đều là những tên tuổi ảnh hưởng lớn trong hoàng tộc. Ngoài ra, theo ghi nhận thì bà là con gái thứ năm của Trần Liễu ("Ngũ nữ"; 五女), nên trước đó bà còn 4 người chị nữa, nhưng hiện tại không rõ được danh tính.

Năm Thiên Ứng Chính Bình thứ 6 (1237), xảy ra vụ biến đổi ngôi vị Hoàng hậu của Thái Tông, vợ cả của cha bà là Thuận Thiên Công chúa trở thành Hoàng hậu của Thái Tông, điều này khiến An Sinh vương dấy binh làm loạn ở sông Cái. Sau đó quân của An Sinh vương dần yếu thế, bị buộc phải đầu hàng và bị giáng chức, bị biếm ra Yên Phụ, Yên Dưỡng, Yên Sinh, Yên Hưng và Yên Bang[5]. Không rõ hành trạng của các con Trần Liễu trong giai đoạn này, chỉ biết một người con trai của Trần Liễu là Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn được nương nhờ bởi Thụy Bà Công chúa - em gái của cha bà.

Năm Nguyên Phong thứ 8 (1258), tháng 2, Thái tử Trần Hoảng lên kế vị, sử gọi Trần Thánh Tông. Tháng 8 năm ấy, bà được sách phong làm Thiên Cảm phu nhân (天感夫人), không lâu sau thì lập làm Hoàng hậu. Ngày 11 tháng 11 năm ấy, Hoàng hậu sinh ra Hoàng trưởng tử Trần Khâm, tức Nhân Tông. Như vậy, bà đã gặp gỡ và được Thánh Tông "sủng hạnh" ít nhất khoảng đầu năm đó, ngay khoảng thời gian Thánh Tông kế vị hoặc sớm hơn nữa. Năm Bảo Phù thứ 6 (1278), mùa đông, Thánh Tông nhường ngôi cho Thái tử Khâm, tức Nhân Tông, Thánh Tông được tôn làm Thái thượng hoàng, Thiên Cảm Hoàng hậu được tôn làm Nguyên Thánh Thiên Cảm Hoàng thái hậu (元聖天感皇太后).

Năm Đinh Hợi, Trùng Hưng năm thứ 3 (1287), vào tháng 1, Hoàng thái hậu băng, không rõ bao nhiêu tuổi.