推测陈氏生年不会早于公元前160年，她的父亲陈午是第三代堂邑侯，母亲馆陶长公主刘嫖则是武帝的姑姑。前153年到前151年间，刘嫖曾想将她嫁予当时的太子刘荣，被刘荣母亲栗姬拒绝。后与王夫人的儿子胶东王刘彻结亲。汉景帝七年（前150年），七岁的刘彻被立为太子。后娶陈氏为妃，两人成婚的时间已无法考证。前141年汉景帝逝世，太子刘彻登基为帝，太子妃陈氏被立为皇后。由于在刘彻被立为太子时，长公主刘嫖有功，因此陈皇后在后宫比较骄纵，却一直未生子。当时武帝的舅舅太尉田蚡就已认定武帝会无子继承皇