Trần Liễu sinh vào niên hiệu Kiến Gia thứ 1 (1211), tại phủ đệ Tinh Cương, phủ Long Hưng (nay là xã Tiến Đức, huyện Hưng Hà, tỉnh Thái Bình). Ông là con trai cả của Trần Thừa, mẹ là Lê phu nhân, dưới ông là Trần Cảnh, Trần Nhật Hiệu, Thụy Bà công chúa, Thiên Thành công chúa và em trai ngoài giá thú Trần Bà Liệt.

Khi ông sinh ra và trưởng thành, họ Trần lúc đó dẫn đầu là Trần Tự Khánh đang là thế lực quân phiệt với dã tâm thâu tóm quyền lực của nhà Lý, buộc Lý Huệ Tông phải nương nhờ mình. Tới năm 1216, lúc này ông lên 6 tuổi, chính quyền Lý Huệ Tông cơ bản hoàn toàn nằm trong tay họ Trần.

Ông được ban hôn với Thuận Thiên công chúa, chị của Lý Chiêu Hoàng, con gái của Lý Huệ Tông. Theo Trần triều thế phả hành trạng, trước khi lấy Thuận Thiên công chúa, Trần Liễu đã có người vợ tên là Trần Thị Nguyệt, tức Thiện Đạo quốc mẫu[1].