刘彻生于景帝元年(公元前156年)，这时他的父亲刘启已经做了皇帝，所以他一出生就是皇子。刘彻的母亲叫王娡，据说怀孕时曾梦见太阳入怀，景帝得知后很高兴，认为这是吉兆，说明这个孩子以后一定不凡。后来王娡生下一个儿子，起名刘彘，后来改名刘彻。这个小家伙确实聪慧过人，景帝非常喜欢。

不过刘彻离皇位还是很遥远的。他是景帝的第10个儿子，而且母亲王氏只是一个美人，身份低微。按照立嫡长子的封建传统，刘彻的大哥、栗姬之子刘荣被立为太子。而刘彻在4岁时被封为胶东王，这样他长大后也就是一个小诸侯王。没想到刘彻一个小孩子的诺言，竟然意外得到贵人相助，将太子之位送到了他的面前。

这个贵人就是景帝的亲姐姐、长公主刘嫖。景帝待人宽仁，与姐姐刘嫖的关系很好。刘嫖有一个女儿叫陈阿娇，长得很漂亮，刘嫖对她非常宠爱，一心想让她当皇后。于是，刘嫖就把主意打到太子刘荣身上。谁知刘荣的生母栗姬却不喜欢长公主，因为景帝的很多美人都是她引进来得宠的，栗姬心中怨恨，就一口拒绝联姻之事。长公主碰壁之后很生气，就另想他法。刘彻自小聪明伶俐，长公主也很喜欢。她就当着景帝的面，问刘彻，想不想娶阿娇做媳妇。这时阿娇10岁，而刘彻才6岁。可是小刘彻很认真地回答，若娶了阿娇，一定要造个金屋子给她住。长公主听了非常高兴，就极力怂恿景帝答应刘彻与阿娇的亲事。景帝对刘彻的回答也很惊奇，就同意了。后来刘彻当了皇帝，还真的造了一座金屋让皇后阿娇居住，这就是成语“金屋藏娇”的由来。

因为刘彻的一句童言承诺，长公主下决心为他争得太子之位，好让自己的女儿以后能当皇后。刘嫖与景帝都是窦太后所生，所以她不仅地位尊贵，对景帝也有很大影响，她在朝中是个举足轻重的人物。经过她一番精心谋划，加上刘彻确实出色，王美人终于被景帝立为皇后，刘彻也取代刘荣，被立为太子，时年7岁。“刘彻”这个名字，就是景帝此时为他特意改的。

刘彻当了太子后，就开始接受正统教育，并学习帝王之术，名士卫绾也成了他的老师。卫绾学识渊博，他教导了刘彻六七年，对刘彻后来的治国政策影响很大。刘彻的学习范围很广，不仅包括经史文学，还涉猎骑马射箭，这些为他以后的文治武功都打下了坚实的基础。景帝后元三年(公元前141年)，景帝驾崩，16岁的刘彻即位，即汉武帝。