唐明皇和武则天是祖孙关系。虽然武则天被招入宫中，但历史材料表明李世民并不是很宠爱武则天，武则天当了12年的才人没有留下一个孩子。唐是唐高宗与武则天的孙垂拱元年（685年）秋八寅（公历9月8日），李生于东都洛阳。出生时其父李旦为帝，母窦氏为德妃。此时正是唐朝宫闱多事之秋。在他降临世间的前一年，他的祖母武则天与宰臣裴炎把他的伯父唐中宗废为庐陵王，其父豫王李旦被立为皇帝，是为睿宗。
睿宗名为大唐国主，年富力强，却只能居于别殿，不许听政。而武则天年逾花甲，仍临朝称制，军国政事由她专断。武则天在镇压徐敬业的扬州叛乱之后，兴告密之风，冤狱迭起，唐宗室及朝臣中的反对派不少人受到迫害。史称“自垂拱以来，任用酷吏先诛唐宗室贵戚数百人，次及大臣数百家，其刺史、郎将以下，不可胜数”。
武则天称帝后的长寿二年（693年）腊月丁卯，李隆基以皇孙身份被降封为临淄王。这一年，其母亲窦妃被户婢团儿诬谄为“厌蛊咒诅”，在正月初二朝后，与刘妃一起被秘密地杀死于宫中，不知埋在何处。同年八月，其父李旦也被诬告有“异谋”，武则天命酷吏来俊臣审理，幸亏太常工人安金藏大义剖腹，“以证明皇嗣不反”，才躲过了这场灾难。根据史料可知，李旦的另一位妾室豆卢氏和李隆基的姨妈窦氏抚养、照料过年幼丧母的李隆基。
景龙二年四月（708年），兼潞州别驾。李隆基在宫中被幽闭了七年之久。圣历二年（699年）他十四岁时，才与诸兄弟再次出阁。这时武则天年事已高，经大臣狄仁杰等人的规谏，放弃立武承嗣为太子之念，李显被接回洛阳，仍被立为太子，皇嗣被封为相王。长安年间（701—704年），李隆基先在亲卫府任右卫郎将，后任尚辇奉御，负责掌管皇帝的内外闲厩马匹。在此期间，以张柬之为首的朝臣发动神龙政变，杀死了武则天男宠张易之兄弟，迫使她让位于中宗。弱冠之年的李隆基目睹了这场政变。