道光皇帝共有后妃二十多人，先后给他生了十个公主和九个皇子。其中，皇长子奕纬，死于道光十一年（公元1831年），年二十三岁，皇二子奕纲、皇三子奕继也过早夭折。皇四子奕詝，生于道光十一年，是皇长子奕纬死后的两个月。皇五子于道光二十六年（公元1846年）过继给嘉庆第三子绵恺为嗣，袭郡王位。皇六子奕訢，是诸皇子中颇受道光钟爱的一个。道光晚年，又陆续得了皇七子、皇八子和皇九子，但都年幼无知。
道光皇帝即位后，并没有按清朝惯例马上着手秘密立储。他为什么没有将皇长子奕纬立为嗣君，至今仍是一个无人能解之谜。道光皇帝晚年才想起立储，从道光皇帝后来在立储时，极为谨慎的性格来看，可以这样进行推论，他是希望在决定接班人时，有更多的挑选机会。因为奕纬之后，二子、三子幼殇，可以选择的嗣君只有奕纬一个人，是否立储并没有意义可言。道光十一年后，随着奕纬的离世，几个小皇子的出生，道光皇帝才面临着立储，这个本应早就解决的问题，在奕詝为长的几个儿子中，道光皇帝最看重的主要是皇四子和皇六子。
生于道光十二年（公元1832年）的奕訢，母亲为道光妃博尔济吉特氏。奕訢六岁时，道光皇帝专门为他配备了老师进行正规教育，他聪敏好学，渐渐在文化课程和骑射训练中，比其他皇子接受更快。奕訢在众皇子中，与皇四子奕詝关系最为密切，两人仅差一岁，同在上书房读书，同接受武艺教育，兄弟感情笃深。奕詝自六岁入学，道光皇帝为他挑选的老师是以公忠正直著称的杜受田。杜受田对奕詝的学习要求十分严格，朝夕纳诲，连续十多年，使奕詝养成了贤惠正直的性格。道光二十年（公元1840年），奕詝的母亲钮祜禄氏因病去世，才十岁的奕詝，就由奕訢母亲博尔济吉特氏抚养，两兄弟天天生活在一起。两人好学钻研，经史子集张口能背，模仿前人写几句古诗也像模像样。两人天天一起练习武艺，奕訢还在武林高手的指导下，创制出枪法二十八式，刀法十八式。道光皇帝见此万分欣喜，特地赐其枪为“棣华协力”，并赐其刀为“宝锷宣威”，同时，还把自己的一把白虹刀送给他作为礼物、道光皇帝后期，一考虑到立储，他的眼光始终转在奕詝和奕訢两人身上，但又踌躇不决。因为，论文韬武略，奕訢在奕詝之上，而论人品，奕詝品行端正，而且在三个哥哥死后又成为长子，道光左右为难，犹豫难定。
后来，道光皇帝为什么决定把皇位传给奕詝呢？正当道光皇帝颇费心思之际，出现了两件小事，两个皇子的不同表现，使道光皇帝最后做了定夺。有一件事是记载在《清史稿》的《杜受田传》中，清朝皇帝每年都在南苑进行打猎，道光皇帝也不列外。道光晚年的一天，南苑校猎又举行了，道光皇帝带了众皇子到南苑骑马奔驰。众皇子也可以借此机会在父皇面前好好表现一番，以显示自己高强的武艺。奕訢从小擅长刀枪射箭，今天为了在父亲面前展示自己的特长，更是使出浑身解数，勇猛冲突，箭无虚发。校猎结束后，诸皇子在道光皇帝面前纷纷出示自己的战绩，奕詝却不慌不忙地答道：父皇，现在是万物苏醒的春天，鸟兽开始繁衍孕育，我不忍心伤害这些生灵，来违反万物的生长规律。奕詝的这番话，让道光皇帝十分高兴，不由赞叹道：这些正是皇帝应该讲的话。奕詝仁义道德的言论，与道光皇帝的传统和标准比较接近，使道光皇立储的天平明显倾向了奕詝。
另外有一种说法与上面的这件事大体相同，也是谈到了道光皇帝是如何在奕詝和奕訢两人中分出高下的。清人笔记说，奕詝的老师是杜受田，奕訢的老师是卓秉恬。道光皇帝晚年生病时，有一天，想召见二位皇子，打算通过最后考察以决定把皇位传给谁。两位皇子也知道即位已到最后关头，于是，问计于自己的老师如何在父皇面前表现一番。卓秉恬告訢奕訢说：如果父皇问你什么事，你就知无不言，言无不尽。卓秉恬这样讲的意图实际上很明显，因为奕訢人很聪敏，反应也快，知识丰富，他完全可以凭借自己的才华压倒奕詝。而杜受田分析了两位皇子的实际情况后，认为皇四子应该扬长避短，用自己的特长来使道光皇帝产生好感。他对奕詝说：如果你的父皇问起国家政事，你在这方面的才识智慧是远远不能与皇六子相比的。要取胜，只有一个办法，那就是当父皇在谈及自己年老多病，可能不久于帝位时，你什么也不用说，只要一个劲地伏跪流泪，表现出你对父皇的孺慕真诚。道光召见时，奕詝就按着老师的话去做了，道光心里很高兴，他认为奕詝这个人实在太仁孝了，于是决定将皇位传给奕詝。
上面两种说法可能有虚构的成分，如根据《清史稿》，卓秉恬实际上并没有任奕訢的老师，故事的内容情节也不同，但所阐述的道理是一致的。即打着仁孝贤惠旗号的皇四子奕詝，在多次竞争中，击败了才智聪颖但急于表现自己的皇六子奕訢，最后被立为储君。
不过，还有一种说法是，道光皇帝最初已立奕訢为储，但后来又改变了。《清稗类钞》中说：道光晚年倦于政事时，就想到要立皇储了，他见皇子中恭王奕訢最为成皇后宠爱，所以打算立他为储。他事先写好了奕訢的名字，放置在乾清宫正大光明匾后。有一个太监在旁边偷偷看着道光皇帝写字的样子，见到最后一笔特别长，就怀疑道光皇帝写的名字就是奕訢。太监便将这件事讲给大家听，道光立奕訢为储君的消息就传开了。道光皇帝听到后，十分气恼，就把铁盒重新取下来，更换了奕詝的名字。照这种说法，奕詝得到皇位，完全出于偶然，道光皇帝本意是选择奕訢，因其事外泄，才改为奕詝。此事的真相其他史书上没有记载，今天已很难查实，但奕訢有宠，且有希望继立为君，应该是事实，两人的被立机会是一样的。
道光二十六年（公元1846年）六月十六日，道光皇帝正是秘密立储。道光皇帝在一张9.5公分长，1.6公分宽的四折纸上，用红笔以满汉文字合书“皇四子奕詝立为皇太子”，同时，又以汉字书“皇六子奕訢封为亲王”。写完后，道光用两层颜色略有深浅的黄纸包好。里面的那层黄纸背面用红笔写着“道光二十六年六月十六”字样，并有亲笔签名。外层黄纸的背面用红笔写着满文“万年”字样，道光又签上自己的名字。这件大事做好后，道光皇帝又书写了遗谕两份，交代身后要办的事情。道光皇帝的立储御书和遗谕分别被密封在两个匣子内。收藏立储的匣子又称鐍匣，鐍匣的三面启扣处全贴了封条，两端封条上都有道光皇帝的亲笔签名，正面封条上也有道光皇帝的亲笔签名和亲书“道光二十六年立秋”字样。装有道光皇帝的立储遗书和遗谕的两个匣子至今仍还保存着，它们是国内目前发现的唯一一份可窥见清代秘密立储制度的实物。道光之后的皇帝，已没有实行秘密立储，因此它的价值十分重大。
道光三十年（公元1850年）正月十四日，道光皇帝即将走完他的人生，他在圆明园召见了大臣载垣、瑞华、僧格林沁等人，让总管内务府大臣文庆等，在众大臣面前打开小匣子，宣示御书、遗谕。同时，宣示了一份道光皇帝的亲笔朱谕。这份朱谕是道光皇帝病重时在圆明园慎德堂书的。其内容为：“皇四子奕詝著立为皇太子，尔王大臣等何待朕言，其同心赞辅，总以国计民生为重，无恤其他。”这样，从法律上讲，道光皇帝将奕詝扶上了帝位，任何人不可能也不应该产生异议。
道光皇帝去世后，奕詝登基称帝，改元为咸丰，史称咸丰皇帝。