Sách Đại Việt sử ký toàn thư, hay An Nam chí lược đều không hề ghi chép về xuất thân của Trần Quốc Toản. Tuy nhiên, theo tài liệu nghiên cứu gần đây mà không rõ nội dung cũng như kiểm chứng, Trần Quốc Toản là con của Vũ Uy vương Trần Nhật Duy (陳日維) và Quận chúa Trần Ý Ninh (陳懿寧), em gái của Phú Lương hầu Trần Tử Đức (富良侯陳子德). Trần Tử Đức cùng vợ là Bùi Thiệu Hoa (裴紹華) đều là anh hùng lưu danh thiên cổ, chặn giặc ở Phù Lỗ để cứu vua Trần Thái Tông, sử sách cảm thán trung liệt muôn đời.

Vũ Uy vương Trần Nhật Duy là con Trần Thái Tông, được Huệ Túc Phu nhân ví như Trương Phi thời Lưu Bị. Mẹ của Quốc Toản, Ý Ninh Quận chúa, từ nhỏ đã được rèn luyện võ công, uy danh không kém gì danh tướng, được giao cho làm tướng ở các đội quân quan trọng. Sau này bà lập công to, được phong làm Hồng Đức Trang Duệ Vũ Thắng Công chúa (洪德莊睿武明公主). Như vậy Trần Quốc Toản xuất thân rất cao quý, cha mẹ đều là kỳ tài danh tướng, từ nhỏ đã dũng mãnh hơn người.

Nếu nghiên cứu này đáng tin và chính xác, thì Trần Quốc Toản là cháu nội của Trần Thái Tông, là cháu gọi Trần Thánh Tông bằng bác và là em họ của Trần Nhân Tông.