Trung đoàn chính thức được thành lập ngày 6 tháng 1 năm 1947, giữa cuộc chiến kéo dài 2 tháng tại Hà Nội mở đầu Toàn quốc kháng chiến, trên cơ sở Tiểu đoàn 301 cùng các đơn vị Vệ quốc đoàn và Tự vệ chiến đấu Liên khu 1 (thuộc 36 phố phường Hà Nội cũ), gồm khoảng 2.000 người. Các chỉ huy đầu tiên là: Trung đoàn trưởng Hoàng Siêu Hải (sau chuyển về Tỉnh ủy Cao Bằng), Chính uỷ Lê Trung Toản (sau làm Thứ trưởng Bộ Nội thương, Phó chủ nhiệm Ủy ban Kế hoạch Nhà nước), Liệt Sĩ Trần Phúc Ánh (hy sinh ngày 7 tháng 1 năm 1952), Tham mưu trưởng Hoàng Phương. Tên gọi đầu tiên là Trung đoàn Liên khu I.[cần dẫn nguồn]

Ngày 12 tháng 1 năm 1947, Hội nghị Quân sự toàn quốc lần thứ nhất tại Chương Mỹ, Hà Đông đã quyết định tặng Trung đoàn Liên khu I danh hiệu Trung đoàn Thủ Đô.[1]

Ngày 17 tháng 2 năm 1947, sau 2 tháng chiến đấu cầm chân quân Pháp tại Hà Nội (xem bài Trận Hà Nội 1946), bảo vệ 38 nghìn người tản cư an toàn, trung đoàn đã thực hiện thành công cuộc rút lui chiến lược ra khỏi vòng vây của quân Pháp cùng với một bộ phận nhân dân Liên khu 1. Bắt đầu 17 giờ ngày 17, từ đình Phất Lộc, ra bãi cát ven sông Hồng, trung đoàn đi dưới gầm cầu Long Biên (có lính Pháp gác trên cầu), lội sang bãi giữa sông rồi vượt sông bằng thuyền, về vùng tự do thuộc huyện Đông Anh. Đến 8 giờ ngày 18 tháng 2, toàn trung đoàn đã vượt sông xong. Khi gần sáng, quân Pháp phát hiện và truy kích nhưng bị chặn đánh và phải bỏ cuộc.[cần dẫn nguồn]