Trần Quang Khải sinh vào tháng 10 âm lịch, năm Thiên Ứng Chính Bình thứ 10 (1241). Ông là con thứ ba của vua Trần Thái Tông, mẹ là Thuận Thiên hoàng hậu Lý thị (con gái trưởng Lý Huệ Tông). Ông là em cùng mẹ với thái tử Trần Hoảng, tức vua Trần Thánh Tông.[3] Người anh đầu của hai ông là Tĩnh Quốc đại vương Trần Quốc Khang, dù cùng mẹ sinh và được Thái Tông nhận làm con, nhưng thật ra là con của Khâm Minh Đại vương Trần Liễu.

Đại Việt Sử ký Toàn thư, bộ quốc sử Đại Việt biên soạn năm 1479 (thời Hậu Lê), đã để lại 1 chi tiết về thời niên thiếu của Trần Quang Khải:[4]

"Quang Khải lúc mới sinh, phát chứng kinh suýt chết, Thái Tông lấy áo của Thượng hoàng và thanh gươm báu truyền quốc để bên cạnh rồi bảo ông: "Nếu sống lại, sẽ ban cho những thứ này".Đến khi sống lại, Thái Tông nói:"Gươm báu truyền quốc, không thể trao bừa, chỉ ban cho áo của Thượng hoàng thôi".