劉徹生於景帝元年(公元前156年)，這時他的父親劉啓已經做了皇帝，所以他一出生就是皇子。劉徹的母親叫王娡，據說懷孕時曾夢見太陽入懷，景帝得知後很高興，認爲這是吉兆，說明這個孩子以後一定不凡。後來王娡生下一個兒子，起名劉彘，後來改名劉徹。這個小傢伙確實聰慧過人，景帝非常喜歡。
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不過劉徹離皇位還是很遙遠的。他是景帝的第10個兒子，而且母親王氏只是一個美人，身份低微。按照立嫡長子的封建傳統，劉徹的大哥、慄姬之子劉榮被立爲太子。而劉徹在4歲時被封爲膠東王，這樣他長大後也就是一個小諸侯王。沒想到劉徹一個小孩子的諾言，竟然意外得到貴人相助，將太子之位送到了他的面前。
這個貴人就是景帝的親姐姐、長公主劉嫖。景帝待人寬仁，與姐姐劉嫖的關係很好。劉嫖有 一個女兒叫陳阿嬌，長得很漂亮，劉嫖對她非常寵愛，一心想讓她當皇后。於是，劉嫖就把主意打到太子劉榮身上。誰知劉榮的生母慄姬卻不喜歡長公主，因爲景帝的很多美人都是她引進來得寵的，慄姬心中怨恨，就一口拒絕聯姻之事。
長公主碰壁之後很生氣，就另想他法。劉徹自小聰明伶俐，長公主也很喜歡。她就當着景帝的面，問劉徹，想不想娶阿嬌做媳婦。這時阿嬌10歲，而劉徹才6歲。可是小劉徹很認真地回答，若娶了阿嬌，一定要造個金屋子給她住。長公主聽了非常高興，就極力慫恿景帝答應劉徹與阿嬌的親事。景帝對劉徹的回答也很驚奇，就同意了。後來劉徹當了皇帝，還真的造了一座金屋讓皇后阿嬌居住，這就是成語“金屋藏嬌”的由來。
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因爲劉徹的一句童言承諾，長公主下決心爲他爭得太子之位，好讓自己的女兒以後能當皇后。劉嫖與景帝都是竇太后所生，所以她不僅地位尊貴，對景帝也有很大影響，她在朝中是個舉足輕重的人物。經過她一番精心謀劃，加上劉徹確實出色，王美人終於被景帝立爲皇后，劉徹也取代劉榮，被立爲太子，時年7歲。 “劉徹”這個名字，就是景帝此時爲他特意改的。
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劉徹當了太子後，就開始接受正統教育，並學習帝王之術，名士衛綰也成了他的老師。衛綰學識淵博，他教導了劉徹六七年，對劉徹後來的治國政策影響很大。劉徹的學習範圍很廣，不僅包括經史文學，還涉獵騎馬射箭，這些爲他以後的文治武功都打下了堅實的基礎。景帝后元三年(公元前141年)，景帝駕崩，16歲的劉徹即位，即漢武帝。
