Đường Đại Tông bổn danh Lý Thục (李俶), là con trai trưởng của Đường Túc Tông Lý Hanh. Theo Cựu Đường thư, ông chào đời vào ngày 13 tháng 12 năm Khai Nguyên thứ 14 (tức 9 tháng 1 năm 727), còn Sách phủ nguyên quy (册府元龟) thì ghi nhận ông chào đời ngày 13 tháng 10 năm Khai Nguyên thứ 14 (tức ngày 11 tháng 11 năm 726) ở Thượng Dương cung, thành Trường An; dưới thời trị vì của ông nội ông, Đường Huyền Tông. Cứ theo lịch sử ký tái, Đường Đại Tông thường tổ chức lễ Thượng Thọ tiết vào tháng 10, nên khả năng cao Sách phủ nguyên quy lại chính xác hơn. Lúc ông sinh ra, cha ông Lý Hanh vẫn đang giữ tước vị Trung vương, Lý Thục cũng là người cháu trai lớn tuổi nhất trong hơn 100 người cháu của Đường Huyền Tông[6].

Ba năm sau (730), mẹ ông là Ngô phu nhân qua đời[7]. Năm Khai Nguyên thứ 26 (738), sau khi Thái tử Lý Anh bị ép phải tự vẫn[8], cha của Lý Thục, tức Túc Tông Lý Hanh, được phong làm Hoàng thái tử[9]. Năm Khai Nguyên thứ 29 (741), Lý Thục được phong tước Quảng Bình quận vương (廣平郡王). Theo sử sách mô tả, Lý Thục là người trầm tĩnh, cương nghị, cảm xúc thường không biểu lộ ra nét mặt. Bản tính ông cũng ham học và nhân hiếu, do vậy được ông nội là Đường Huyền Tông yêu quý. Sau này, Huyền Tông chọn con gái của Bí thư giám Thôi Tuân (崔峋) và Hàn Quốc phu nhân Dương thị, cháu gái Dương Quý Phi là Thôi thị gả cho Lý Thục.