Năm 1224, Chiêu Thánh công chúa lên ngôi, tức Lý Chiêu Hoàng. Người chú họ của ông, Trung Vũ đại vương Trần Thủ Độ, đã sắp xếp em trai ông là Trần Cảnh và Chiêu Hoàng gần gũi với nhau, dẫn đến việc Chiêu Hoàng nhường ngôi cho Trần Cảnh vào cuối năm 1225, chấm dứt triều đại nhà Lý tồn tại hơn 200 năm.

Trần Cảnh lên ngôi, tức Thái Tông Nguyên Hiếu hoàng đế (太宗元孝皇帝) của nhà Trần. Chiêu Hoàng được phong làm Hoàng hậu.

Tháng 8 âm lịch năm 1228, ông được Thái Tông phong cho làm Thái phó, dự hàng Tể tướng dù lúc đó ông chỉ mới 17 tuổi. Đến tháng 8, năm 1234, ông được phong hiệu làm Hiển Hoàng (顯皇), một tước vị thường do Hoàng đế tự xưng, điều này cho thấy Trần Thái Tông rất cất nhắc ông, từ đây ông chính thức ra chính trường phụ chính cho Thái Tông bên cạnh Thái sư Trần Thủ Độ. Năm 1236, bị giáng làm Hoài vương (怀王), do bị phát hiện cưỡng bức một cung nhân triều Lý cũ.

Năm 1237, vì Thái Tông lấy Lý hoàng hậu mãi không có con, Thái sư Trần Thủ Độ đưa Thuận Thiên công chúa vợ ông, lúc ấy đã có mang 3 tháng vào làm Hoàng hậu thay thế, giáng Lý hoàng hậu trở lại làm Chiêu Thánh công chúa. Đứa trẻ sinh ra là Tĩnh Quốc đại vương Trần Quốc Khang[2].

Trước tình cảnh đó, Trần Liễu phẫn uất họp quân nổi dậy. Thái Tông chán nản bỏ đi lên Yên Tử, nhưng Trần Thủ Độ gây sức ép cũng đành phải quay về. Sau Trần Liễu biết không làm gì được phải đóng giả làm người đánh cá trốn lên thuyền Thái Tông xin tha tội. Thủ Độ biết được, cầm gươm đến định giết Liễu nhưng Thái Tông lấy thân mình che cho Liễu. Thái Tông tha tội Trần Liễu nhưng quân lính theo ông đều bị giết.

Để an ủi ông, Thái Tông lấy đất Yên Phụ, Yên Dưỡng, Yên Sinh, Yên Hưng, Yên Bang (thuộc Quảng Ninh hiện nay) cho ông làm ấp thang mộc, phong làm Yên Sinh vương (安生王).

Ông lập trang ấp ở dưới chân núi An Phụ, nay thuộc phường An Sinh , thị xã Kinh Môn, tỉnh Hải Dương. Có sách nói An Sinh ngày nay thuộc Đông Triều, đó là thông tin nhầm lẫn. An Sinh là một phần của Kinh Môn. An Sinh vốn là trang ấp cổ của dòng trưởng họ Trần, các đời vua sau đều là con cháu của cả dòng Trần Cảnh lẫn Trần Liễu, chắc chắn phải chọn nơi đất phát của họ để an táng. Tiếc rằng sau khi Trương Phụ đánh bại nhà Hồ, đã cho tàn phá tất cả những di tích của nước ta, nhất là những địa danh gắn với các vị vua chống ngoại xâm. Ngày nay, tượng Trần Quốc Tuấn đặt tại đỉnh An Phụ, thấp hơn đền Trần Liễu quả là đắc địa và đúng với tâm linh lịch sử. Chính An Sinh chứ không phải Thiên Trường mới là nơi Trần Quốc Tuấn sống thuở ấu thơ, gắn bó với trang ấp của cha, gần với phủ đệ Vạn Kiếp chỉ vài giờ đi thuyền.

Năm 1251, Trần Liễu sắp qua đời. Ông dặn người con trai của mình là Trần Quốc Tuấn phải cướp ngôi nhà Trần. Quốc Tuấn nhận lời nhưng không thực hiện[3].

An Sinh vương Trần Liễu mất vào ngày 1 tháng 4 âm lịch năm Nguyên Phong thứ nhất (tức 23 tháng 4 năm 1251), thọ 41 tuổi[4]. Đền thờ ông ở núi An Phụ. Ngày mất của ông (1 tháng 4 âm lịch) cũng là ngày hội của đền Cao.