Trần Thánh Tông tên thật là Trần Hoảng (陳晃),[10][11][1][12][13] sử Trung Quốc ghi nhận tên Trần Uy Hoảng (陳威晃)[a], Trần Quang Bính (陳光昺)[b] hay Trần Nhật Huyên (陳日烜)[c], sinh ngày 25 tháng 9 âm lịch năm Thiên Ứng Chính Bình thứ 9 (tức ngày 12 tháng 10 năm 1240), tại Thăng Long, Đại Việt (nay là Hà Nội, Việt Nam). Ông là con thứ hai, nhưng mà là con trưởng dòng đích của Trần Thái Tông – vị vua đầu tiên của Hoàng triều Trần. Mẹ ông là Thuận Thiên Hoàng hậu Lý Oanh, nguyên là con gái Lý Huệ Tông – vua áp chót của triều Lý. Theo bộ Đại Việt sử ký toàn thư (do sử quan Ngô Sĩ Liên biên soạn năm 1479 thời vua Lê Thánh Tông nhà Hậu Lê), trước khi Hoàng hậu Thuận Thiên mang thai Trần Hoảng, Thái Tông nằm mơ thấy Thượng đế trao tặng bà một thanh gươm báu.[1]

Ngay sau khi sinh ra, Trần Hoảng đã được sách phong làm Đông cung Thái tử.[1] Sách An Nam chí lược (do quan nhà Nguyên (Trung Quốc) gốc Việt là Lê Tắc soạn năm 1307) có mô tả ngoại hình của ông: "dáng người hòa nhã khôi ngô có nhã lượng".[10] Còn quyển Thánh đăng ngữ lực (một tác phẩm khuyết danh về sự nghiệp tu Phật của 5 vua đầu thời Trần, được viết vào khoảng thế kỷ XIV) diễn tả về ông rằng: "Thánh Tông... bản chất hiền tài, toát ra ngoài sáng ngời, xử sự dứt khoát", không chỉ làu thông kinh sử Nho gia mà còn hiểu sâu giáo pháp nhà Phật.[9] Ông có nhiều em trai, nổi bật nhất là Chiêu Minh Đại vương Trần Quang Khải (Tể tướng đầu triều qua 3 đời vua Thánh Tông, Nhân Tông, Anh Tông)[14], Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật (một tướng lĩnh, nhà ngoại giao lớn, làm Tể tướng thời Anh Tông, Minh Tông, Hiến Tông)[15] và Chiêu Quốc vương Trần Ích Tắc (một người học rộng, nhưng sau phản lại Thánh Tông trong chiến tranh với Nguyên-Mông).[16]

Năm 1258, Hoàng thái tử Trần Hoảng tham gia cuộc kháng chiến chống Nguyên Mông lần thứ nhất. Thoạt tiên quân Mông Cổ chiếm được kinh sư, nhà vua, thái tử cùng hoàng gia được Linh Từ Quốc mẫu Trần Thị Dung giúp đỡ đã sơ tán an toàn về sông Thiên Mạc (nay thuộc huyện Khoái Châu, tỉnh Hưng Yên).[17] Quân Mông Cổ ở Thăng Long gặp nhiều khó khăn do thiếu lương thực trầm trọng. Mông Cổ phải chia quân đi cướp bóc ở vùng ngoại vi và phụ cận, nhưng bị dân chúng chặn đánh quyết liệt.[18] Trong khi đó quân đội Đại Việt đã hồi sức. Ngày 28 tháng 1, vua Thái Tông và Thái tử Hoảng ngự lâu thuyền chỉ huy cuộc phản kích vào Đông Bộ Đầu, đánh tan quân Mông Cổ, lấy lại Thăng Long. Quân Mông Cổ chạy dài về Vân Nam, dọc đường còn bị thổ quan Hà Bổng chặn đánh.[19][18] Cuộc kháng chiến kết thúc, vua Thái Tông định công phong thưởng các tướng, Thái tử Hoảng xin trị tội Tiểu hiệu Hoàng Cự Đà, người có biểu hiện bất trung trong cuộc rút lui về sông Thiên Mạc, nhưng nhà vua tha chết, chỉ giáng chức.[20]