Tên thật của Võ Tắc Thiên không được ghi lại, cái tên Võ Chiếu (武曌) là bà tự sáng tạo ra, ví mình như Mặt trời, Mặt trăng trên không trung[9][10][11]. Năm sinh của bà, căn cứ theo các cuốn Cựu Đường thư, Tân Đường thư lẫn Tư trị thông giám đều có mâu thuẫn. Trong Cựu Đường thư, Võ thị được ghi qua đời khi năm 83 tuổi[12], suy ra bà ra đời ở năm Vũ Đức thứ 7 (624), tuy nhiên Tân Đường thư lại ghi nhận Võ thị qua đời khi năm 81 tuổi[13], còn Tư trị thông giám là khi năm 82 tuổi[14], đảo suy ra là sinh hạ vào năm Vũ Đức thứ 8 (625). Tuy nhiên, bản thân Tư trị thông giám vào năm Trinh Quán thứ 11 (637), Võ thị 14 tuổi nhập cung là hoàn toàn mâu thuẫn[15]. Một số đưa ra rằng Võ thị sinh ra năm Trinh Quán thứ 2 (628)[16][17], đến cuối cùng nhiều nhận định vẫn lấy năm Vũ Đức thứ 7 (624) làm năm sinh của bà.

Bà xuất thân từ gia tộc họ Võ có nguồn gốc từ vùng Văn Thủy, Tinh Châu (nay là Thái Nguyên, Sơn Tây, Trung Quốc). Cha bà là Võ Sĩ Hoạch, xuất thân trong một gia đình quý tộc danh tiếng ở Sơn Tây, ông nội Võ Hoa, từng nhậm Quận thừa Lạc Dương giàu có. Mẹ bà là Kế thất phu nhân Dương thị, xuất thân từ gia đình quý tộc hoàng gia nhà Tuỳ, là con gái của tông thất Dương Đạt (楊達) - em trai của Kiến Đức vương Dương Hùng (杨雄), con trai của Dương Thiệu (杨绍), tộc huynh của Tùy Văn Đế Dương Kiên của nhà Tùy. Trong nhà bà có 2 anh trai là Võ Nguyên Khánh và Võ Nguyên Sảng là con của chính thất Lý thị đã qua đời; 1 người chị cùng mẹ là Võ Thuận và 1 em gái là phu nhân của Quách Hiếu Thuận (郭孝慎).

Ban đầu, Võ Sĩ Hoạch làm nghề buôn bán gỗ, cuộc sống gia đình tương đối khá giả, được triều Tùy ban chức "Ưng Dương phủ đội chính". Những năm Đại Nghiệp thời Tùy Dượng Đế, Đường Cao Tổ Lý Uyên khi ấy giữ tước Đường quốc công, từng nhiều lần đến vùng Phần, Tấn và thăm nhà họ Võ, hai bên có quan hệ thân thiết với nhau. Khi nhà Đường thành lập, nhà họ Võ được Đường Cao Tổ hậu đãi, ban cho bổng lộc, đất đai và trang sức rất nhiều. Về sau, Võ Sĩ Hoạch được ban nhiều chức vị quan trọng, làm đến chức Đô đốc Kinh châu[18], Thượng thư bộ Công, tước Ứng Quốc công (應國公).

Do được sinh trưởng trong một gia đình khá giả, từ nhỏ Võ thị không cần làm nhiều công việc, bản thân bà cũng không thích may vá, thêu thùa và làm việc nhà, thay vào đó bà rất quan tâm đến việc đọc sách. Cha bà Võ Sĩ Hoạch lại khuyến khích bà học chữ và đọc nhiều sách, trái ngược với tư tưởng thời bấy giờ là phụ nữ không cần phải học hành mà phải tập làm công việc nhà. Do đọc nhiều sách, bà có kiến thức uyên bác hơn nhiều phụ nữ đương thời, tinh thông về chính trị, văn học, nghi lễ và âm nhạc.

Năm Trinh Quán thứ 9 (635), Võ Sĩ Hoạch qua đời; đường huynh Võ Duy Lương, Võ Hoài Vận cùng anh cả Võ Nguyên Sảng đối xử với mẹ bà là Dương phu nhân rất vô lễ.