Thành Thái tên thật là Nguyễn Phúc Bửu Lân (阮福寶嶙), khi lên ngôi đổi thành Nguyễn Phúc Chiêu (阮福昭). Ông là con thứ 7 của vua Dục Đức và bà Phan Thị Điều, sinh ngày 22 tháng 2 năm Kỷ Mão tức 14 tháng 3 năm 1879 tại Huế. Ông là cháu nội của Thoại Thái vương Nguyễn Phúc Hồng Y và là chắt của vua Thiệu Trị.

Năm ông bốn tuổi, vua cha Dục Đức bị 2 quyền thần là Tôn Thất Thuyết và Nguyễn Văn Tường phế truất và chết trong tù. Đến nǎm được chín tuổi, vì ông ngoại là Phan Đình Bình (làm quan Thượng thư bộ Hộ) bị vua Đồng Khánh bắt giam rồi bỏ cho chết vì mắng Đồng Khánh nịnh bợ và thân Pháp khi Đồng Khánh ra Quảng Bình dụ vua Hàm Nghi đầu hàng, nên Bửu Lân lại phải cùng mẹ Từ Minh lên kinh đô, chịu sự quản thúc, sống trong cảnh thiếu thốn.

Ngày 28 tháng 1 năm 1889, vua Đồng Khánh yểu mệnh qua đời ở tuổi 24. Khi đó con vua Đồng Khánh là Bửu Đảo mới 3 tuổi nên không nối ngôi được, triều đình Huế xin ý kiến của Tổng sứ Trung Bắc kỳ Pierre Paul Rheinart. Ở tòa Khâm sứ lúc này có ông Diệp Văn Cương đang làm thông ngôn. Diệp Vǎn Cương lấy cô ruột của Bửu Lân, và cũng có cảm tình thương hại vua Dục Đức (anh vợ), nên cố tìm cách cho cháu mình lên ngôi. Ông dịch cho Khâm sứ Rheinart nghe hoàn toàn khác với ý của Viện Cơ mật. Vì thế Bửu Lân được chọn lên ngai vàng.

Một hôm, khi Bửu Lân đang chơi đùa với đám bạn trước nhà thì nhìn thấy một phái đoàn đến rước ông lên ngôi, lúc đó mẹ ông là bà Phan Thị Điều đi vắng, ông sợ hãi trốn vào nhà. Đến khi bà Phan Thị Điều trở về thấy phái đoàn đứng trước nhà, chạy vào thì nghe chuyện con mình bị bắt làm vua, bà chạy tới ôm con rồi van xin phái đoàn tha cho mẹ con ông. Bà nghĩ tới cảnh chồng mình là vua Dục Đức và thảm kịch bốn tháng ba vua trước đây nên khóc lóc, năn nỉ. Cuối cùng, sau một hồi khuyên giải từ hàng xóm, Phan Thị Điều mới chấp nhận để cho phái đoàn rước Bửu Lân về Tử Cấm thành.