Cao Tông hoàng đế tên thật là Lý Trị (李治), Tên tự là Vi Thiện (为善), sinh ngày 21 tháng 7 năm 628[1] ở thành Trường An. Ông là con trai thứ 9 của Đường Thái Tông và con trai thứ ba của Văn Đức hoàng hậu Trưởng Tôn thị, lúc đó Đường Thái Tông đã lên ngôi được 2 năm. Theo thân thế, ông là em ruột cùng cha cùng mẹ của Phế Thái tử Lý Thừa Càn và Ngụy vương Lý Thái (李泰).

Năm 631, khi vừa mới 4 tuổi, Lý Trị đã được phong tước Tấn vương (晋王)[2]. Sang năm 633, ông được phong chức Đô Đốc Tịnh châu[3], tuy nhiên do tuổi còn quá nhỏ nên ông vẫn ở lại kinh thành Trường An. Lúc còn nhỏ, ông được đánh giá là hiếu thuận và nhân hậu, thường được Đường Thái Tông khen ngợi.

Năm 636, Trưởng Tôn hoàng hậu qua đời[4][5]. Trong ngày lễ tang của Hoàng hậu, Lý Trị đã khóc thương rất nhiều, do đó ông bắt đầu được Đường Thái Tông chú ý đến. Sau đó, ông được phong làm Hữu Võ Hậu đại tướng quân.

Năm 643, Hoàng thái tử Lý Thừa Càn do âm mưu chống lại Đường Thái Tông nên bị phế truất. Thái Tông hoàng đế lúc đầu muốn lập con trai thứ 4 là Ngụy vương làm Hoàng thái tử, nhưng sau đó Ngụy vương lại cảnh cáo Lý Trị rằng ông vốn chơi thân với Thừa Càn nên sau này ông phải cẩn thận. Thái Tông biết chuyện rất giận và phế truất Ngụy vương. Lúc đó, Tấn vương Lý Trị được Đường Thái Tông quan tâm nhất, vì là người con còn lại của Tưởng Tôn hoàng hậu, nghĩa là Hoàng đích tử. Sau khi bàn bạc với Trưởng Tôn Vô Kị, Phòng Huyền Linh và Lý Tích, ngày 30 tháng 4 năm 643, Thái Tông hoàng đế chính thức phong Tấn vương Lý Trị làm Hoàng thái tử.