• Cha: Trần Thừa, được truy tôn là Trần Thái Tổ (陳太祖).
• Mẹ: Lê thị Thái (黎氏 ? - 1230), truy tôn Thuận Từ Quốc Thánh Hoàng thái hậu (順慈國聖皇太后).
• Anh chị em:

1. Yên Sinh vương Trần Liễu (安生王陳柳), anh trai.
2. Khâm Thiên Đại vương Trần Nhật Hiệu (欽天大王陳日晈), em trai.
3. Hoài Đức vương Trần Bà Liệt (懷德王陳婆列), em trai.[110]
4. Thụy Bà Công chúa (瑞婆公主), chị gái, mẹ nuôi của Hưng Đạo Đại vương Trần Quốc Tuấn.[26]

• Hậu phi:

1. Chiêu Thánh Hoàng hậu (昭聖皇后 1218 - 1278), húy Thiên Hinh (天馨), con gái Lý Huệ Tông và Linh Từ Quốc mẫu, nữ hoàng đầu tiên và duy nhất trong lịch sử Việt Nam, trước khi nhường ngôi cho Thái Tông trong cuộc hôn nhân đầy khiên cưỡng. Bà có với Thái Tông một người con tên Trần Trịnh nhưng chết yểu không lâu sau khi lọt lòng. Năm 1237, bà bị truất ngôi hoàng hậu; đến năm 1258 được Thái Tông gả cho Lê Phụ Trần.
2. Hiển Từ Thuận Thiên Hoàng hậu (順天皇后 1216 - 1248), húy Oanh (鶯), chị ruột của Chiêu Thánh, nguyên là vợ của Trần Liễu. Năm 1237 bà bị ép bỏ Trần Liễu, trở thành hoàng hậu của Thái Tông. Có con với Trần Liễu là Vũ Thành vương Trần Doãn, Tĩnh Quốc Đại vương Trần Quốc Khang; với Thái Tông là Trần Thánh Tông, Chiêu Minh Đại vương Trần Quang Khải.
3. Huệ Túc Phu nhân Hoàng thị (惠肅夫人黃氏), con gái thổ quan Nhà Tống Hoàng Bính
4. Cung phi Vũ thị, húy là Vượng, theo thần tích là mẹ của Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật.[111]
5. Lệ Trinh Nguyên phi Lê thị (厲貞元妃黎氏), húy là Tuyết.
6. Nhiều phi tần không rõ danh tính, Trần Ích Tắc, Trần Nhật Duật, An Tư Công chúa đều sinh ra sau khi Hiển Từ Hoàng hậu qua đời (1248).

Hậu duệ

Sử sách không ghi chép cụ thể số con của Trần Thái Tông, nhưng có đề cập đến một số người:

• Hoàng tử:

1. Vũ Uy vương Trần Nhật Duy (武威王陳日維), sau này thành thân với Ý Ninh Quận chúa (懿寧郡主), em gái của Phú Lương hầu Trần Tử Đức (富良侯陳子德), có thuyết là sinh phụ của Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản.
2. Hoàng thái tử Trần Trịnh (皇太子陳鄭 1233), chết yểu, mẹ là Lý Phế hậu Chiêu Hoàng.[112]
3. Tĩnh Quốc Đại vương Trần Quốc Khang (靖國大王陳國康), thực tế là con của Khâm Minh Đại vương Trần Liễu và Hiển Từ Thuận Thiên Hoàng hậu.
4. Trần Hoảng (陳晃), tức Hoàng đế Trần Thánh Tông (陳聖宗), mẹ là Thuận Thiên Hoàng hậu.
5. Chiêu Minh Đại vương Trần Quang Khải (昭明大王陳光啟), mẹ là Thuận Thiên Hoàng hậu.
6. Bình Nguyên vương Trần Nhật Vĩnh (平原王陳日永).[113] 
7. Chiêu Đạo vương Trần Quang Xưởng (昭道王陈光昶), anh cùng mẹ với Chiêu Quốc vương.[114] 
8. Chiêu Quốc vương Trần Ích Tắc (昭國王陳益稷).
9. Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật (昭文王陳日燏), con của Vũ phi.
10. Minh Hiến vương Trần Quốc Uất (明宪王陈國蔚), con trai út của Thái Tông, bạn thân của Phạm Ngũ Lão[106].

• Hoàng nữ:

1. Thái Đường Công chúa, con gái trưởng của Thái Tông, có thuyết cho rằng bà do Thuận Thiên Hoàng hậu sinh ra. Nhân vật được ghi nhận trong thần tích không rõ nguồn gốc, về sau lấy Hầu tước tên Vũ Tỉnh, có một con trai là Vũ Thành. Sau khi chồng và con mất, bà về trông coi thái ấp cho anh là Thái úy Trần Quang Khải[115].
2. Thiều Dương Công chúa (韶陽公主 ? - 4/1277), húy là Thúy, lấy Thượng vị Văn Hưng hầu (khuyết danh), mất ngay khi Trần Thái Tông qua đời. Đại Việt Sử ký Toàn thư có đoạn viết về công chúa như sau: "Hôm thượng hoàng băng, công chúa Thiều Dương (con gái thứ của Thượng hoàng tên là Thúy) đương ở cữ, bỗng nghe tiếng chuông liên hồi, mới hỏi: "Có thể nào không phải là tin dữ chăng?" Những người hầu bên cạnh nói dối, nhưng công chúa không nghe, cứ thương khóc, kêu gào, mắt nhắm nghiền rồi mất".[106] 
3. Thụy Bảo Công chúa (瑞寶公主), em cùng mẹ với Thiều Dương Công chúa, lấy Uy Văn vương Toại, sau lấy Bảo Nghĩa Vương Trần Bình Trọng. Trần Bình Trọng mất, công chúa một mình nuôi dạy con gái riêng của ông, coi như là con ruột của mình. Về sau, người con gái đó được đưa vào cung làm phi cho Trần Anh Tông, tức Chiêu Từ Hoàng thái hậu (昭慈皇太后), mẹ sinh của Trần Minh Tông[115].
4. Hoa Dung công chúa, không rõ sự tích[115].
5. An Tư Công chúa (安姿公主), con gái út của Thái Tông. Năm 1285, khi Mông-Nguyên đánh Đại Việt lần hai, Trần Thánh Tông gả An Tư cho Trấn Nam Vương Thoát Hoan, "là muốn làm thư giãn loạn nước vậy".[116]