Bà có tên là Duyên (緣),[1] lại có tên là Hài (諧),[2] sinh vào năm Minh Mạng thứ 19 (1828), ngày 9 tháng 5 âm lịch, bà xuất thân từ dòng họ Võ Xuân (武春氏) ở huyện Lệ Thủy, tỉnh Quảng Bình. Cha bà là Đông Các đại học sĩ Lệ Quốc công Võ Xuân Cẩn, mẹ là Lệ Quốc phu nhân họ Trần. Bà từ bé nhàn tĩnh đoan nhã, tính khí nhu mì đặc biệt, lại thông thạo sách vở, hiểu nội tấc, cũng như rành rẽ việc trong nhà.

Về sau, mẹ đích của Hoàng hậu là phu nhân họ Bạch được truy tặng Trang Nhân Lệ Quốc phu nhân (莊仁麗國夫人), mẹ đẻ phu nhân họ Trần được phong Trinh Từ Lệ Quốc phu nhân (貞慈麗國夫人).