Tào Duệ là con của Tào Phi, cháu của Tào Tháo và là người đầu tiên sáng lập nhà Tào Ngụy. Mẹ ông là Chân phu nhân, vốn là vợ Viên Hy, con trai thứ của Viên Thiệu, một quân phiệt cuối thời nhà Hán. Năm Kiến An thứ 9 (204), ông nội ông là Tào Tháo đánh bại họ Viên ở Nghiệp Thành, tìm thấy Chân thị trong gia quyến họ Viên. Cha ông là Tào Phi ham mê sắc đẹp của Chân thị bèn ép Chân thị lấy mình dù chồng bà vẫn còn sống. Chân thị được phong Phu nhân.

Tào Duệ lúc nhỏ đã thông minh lanh lợi, được ông nội là Tào Tháo yêu quý. Năm Kiến An thứ 25 (220), Tào Tháo qua đời, Tào Phi kế nghiệp làm Ngụy vương, đã phong ông làm Vũ Đức hầu (武德侯). Sang năm sau, là Hoàng Sơ nguyên niên (221), Tào Phi xưng Đế đã một năm, đã phong ông làm Tề công (齐公), cùng năm này thì mẹ ông là Chân phu nhân phạm tội, ông bị biến thành Bình Nguyên hầu (平原侯). Sang năm sau (222) lại cải thành Bình Nguyên vương (平原王).

Do mẹ ông là Chân phu nhân có tội, bị Tào Phi ban chết, Tào Duệ bị cha mình nghi ngờ có ý bất mãn, nên dù là hoàng đích trưởng tử nhưng Tào Phi vẫn chần chừ không lập Tào Duệ lên làm Trữ quân. Trong thời gian này, ông cưới con gái một nhà quyền quý là Ngu thị làm Chính phi, nhưng không có với Ngu phi một người con nào. Ban đầu, con trai yêu Tào Lâm (曹霖) mới là đứa con mà Tào Phi có ý lập làm Thái tử, và Tào Phi đã ẩn ý dò hỏi An Quốc đình hầu Vệ Trăn (卫臻) về Tào Duệ. Vệ Trăn chỉ dè dặt nói Tào Duệ tài đức nhiều mặt, mà không dám bình luận thêm[3]. Sau đó, Tào Phi hạ chiếu cho Tào Duệ làm con của Hoàng hậu Quách Nữ Vương. Tào Duệ từ nhỏ thấy mẹ chết, đến nay dù tâm tình bất mãn cũng phải cung kính dưỡng mẫu, mỗi ngày sớm muộn gì đều hướng Hoàng Hậu trong cung định tỉnh vấn an. Quách hoàng hậu do không có con, càng yêu thương Tào Duệ. Vì vị trí Trữ quân chưa định, Tào Duệ rất thận trọng trước mọi cử chỉ lời nói, luôn đi theo hầu hạ Tào Phi cùng Hoàng hậu, muốn lấy sự yêu thích của họ để bảo toàn bản thân.

Dã sử Ngụy mạt truyện (魏末传) có truyền thuyết rằng, khi cha con Tào Phi và Tào Duệ vào rừng săn thú, thì gặp một đôi nai mẹ con. Tào Phi giương cung bắn chết nai mẹ, rồi lệnh cho Tào Duệ bắn nai con. Tào Duệ khước từ, và nói:"Bệ hạ đã bắn chết nai mẹ, thì nhi thần không nỡ bắn nốt nai con."[4]. Chuyện kể rằng, Tào Phi đã đánh rơi cây cung và khóc. Người đời cho rằng chính vì lý do này, Tào Phi đã quyết định chọn Tào Duệ làm Thái tử ở giây phút cuối cùng.

Năm Hoàng Sơ thứ 7 (226), ngày 16 tháng 5, Văn Đế Tào Phi bệnh tình nguy kịch, cuối cùng trước khi chết vài phút hạ chiếu lập Bình Nguyên vương Tào Duệ làm Hoàng thái tử. Chiếu chỉ đưa ra phụ chính đại thần gồm: Tào Chân, Tư Mã Ý, Trần Quần cùng Tào Hưu[5].