早年经历
汉中平四年（187年）冬，曹丕生于谯县。他自幼天资聪颖，后天良好的教育成长环境，给予了他深厚的文学素养。年少成长的阶段，他广学博览，“少诵诗、论，及长而备历五经四部、史汉、诸子百家之言，靡不毕览。”为日后的文学创作打下了坚实的基础。
初平三年（192年），曹操认为时下兵荒马乱，教曹丕学射箭，六岁时，曹丕学会了射箭。八岁时，曹丕学会了骑马。从十岁起，曹丕就随父亲征战南北，长时间的军旅生活锻炼了他强健的体魄，而且还丰富了他的见闻，为其诗篇创作积淀了大量的素材。随着他年龄与阅历的不断成长，艰苦生活环境带来的精神冲击，逐渐形成了他特有的沉郁性格气质。
建安二年（197年），曹丕随曹操南征张绣，张绣先降后反，曹操长子曹昂和侄儿曹安民遇害，年仅十岁的曹丕乘马逃脱。
建安十五年（210年），曹丕被司徒赵温举荐，曹操认为赵温举荐他的儿子，并不是因为他真实的才能，因此使侍中守光禄勋郗虑持节奉策免去赵温官职。次年（211年），任五官中郎将、副丞相。
建安十八年（213年），曹操带着曹丕等人，回到亳州老家上拜坟墓。事毕，曹丕等乘马游观，经过东园，循着涡河，穿过高林，驻马书鞭，写下《临涡赋》。
夺嫡之争
曹丕是曹操的次子，曹昂死后，曹操还曾打算传位其庶弟曹冲。曹冲是个神童，五六岁时智力已经“有若成人”。且天性仁厚爱人，常常为不慎犯了过失的设法解免，“赖以济宥者，前后数十”。为此，曹冲深得曹操的宠爱，但曹冲十三岁患病夭折。在他死后，曹操曾对曹丕说：“此我之不幸，而汝曹之幸也。”曹丕后来也常对人说：“若使仓舒在，我亦无天下。”不久，曹丕同母弟曹植，随后以风流文采而展露头角，深受曹操喜爱。于是就发生了曹丕、曹植兄弟间的夺嫡之争。
曹操长期在立嗣上狐疑不决，难免不影响下属。时间一长，下属间渐渐形成了拥护曹丕和拥护曹植的两个集团。拥护曹丕的有桓阶、邢颐、吴质、贾诩等人，拥护曹植的有丁廙、丁仪、杨修、孔桂、杨俊等人。他们各自结为党羽，设计谋、造舆论，尔虞我诈，互相倾轧。拥护曹植的杨修出身东汉名门“弘农杨氏”，是个智谋过人的奇士，又身为曹操的主簿，消息特别灵通，对曹植十分有利，在他出谋画策之下，曹植在这场争夺战中渐占优势，“几为太子者数矣”。但因曹植“任性而行，不自雕励，饮酒不节。”终为曹操所不悦。
建安二十二年（217年），曹丕运用各种计谋，在司马懿、吴质等大臣帮助下，在继承权的争夺中战胜了曹植，被立为魏王世子。建安二十四年（219年），曹丕作为储君驻守邺城，魏讽密谋攻邺，与之同谋的陈祎自首，曹丕率众平定变乱，诛杀魏讽。
登基为帝
延康元年（220年）正月，曹操逝世于洛阳，曹丕从邺城至洛阳继承丞相位，称魏王，改建安二十五年为延康元年。初登高位手掌大权的曹丕，面对突而其来的权力交接，心理上不免有些激动和志满意得。面对从乃父手中接管下来的国家，深感完成乃父复兴国力和实现统一之遗志，将是他人生今后任重而道远的责任。
曹丕从东汉末年，纲纪紊乱的历史中吸取教训，迅速将权力集中在手，稳定政权局势。他深知只有加强巩固自己的集权，才能巩固自己的权利宝座的重要性。他一开始就从内部权利制衡中着手，迅速做出反应。他笼络和扶植自己的政治势力，重新分配在权利蛋糕上的占有份额，同时打击排除异己势力。二月，任命贾诩为太尉，华歆为相国，王朗为御史大夫。已卯，任命夏侯惇为大将军。濊貊、扶馀单于、焉耆、于阗王皆各遣使奉献。五月，册封投降的山贼郑甘、王照为列侯，又命苏则督军平定武威、酒泉和张掖的叛乱。七月，孙权遣使奉献，同月，命夏侯尚、徐晃与蜀将孟达里应外合，收复上庸三郡。武都氐王杨仆率种人内附，居汉阳郡。甲午，带着军队驻扎在谯，在邑东以酒食慰劳六军和谯郡父老。
十一月癸卯，下诏收敛、祭奠阵亡将士。乙卯，汉献帝禅让，曹丕三次上书辞让。 辛未，曹丕登受禅台称帝，改元黄初，改雒阳为洛阳，大赦天下。 黄初元年（220年）十一月癸酉，以河内郡山阳邑万户奉汉献帝为山阳公。
平胡征吴
曹丕对外一向主张征伐，渴望早日实现统一山河的志向。他积极折冲疆场，曾两次兴师伐吴。
黄初二年（221年），吴国孙权攻击刘备，关羽败走麦城被杀，遂收荆襄之地。孙权害怕刘备报复首尾难顾，假意与魏曹丕修好“孙权遣使者奉章，并遣于禁等还。”曹丕遣“使太常邢贞持节拜权为大将军，封吴王，加九锡。”孙权假意称臣。刘备愤孙权之袭关羽，率诸军伐吴，孙权遣书请和，刘备盛怒不许。是年，攻破吴军巫口和姊归两处。
黄初三年（221年）正月，孙权给曹丕上书言说出兵迎敌，曹丕作《报吴王孙权书》鼓励其杀敌。二月，鄯善、龟兹、于阗王各遣使奉献。是后西域复通，置戊己校尉。三月，封曹叡为平原王，弟弟曹彰等十一人皆为王。四月，封曹植为鄄城王。闰月，孙权破刘备于夷陵。当初曹丕听说刘备率军东下，与孙权交战，树栅连营七百余里，对群臣说：“刘备不懂兵法，哪有连营七百里抵抗敌人的！‘苞原隰险阻而为军者为敌所禽’，这是用兵的忌讳，孙权打败刘备的上书快到了。”过了七天，孙权击破刘备的文书送到。八月，蜀大将黄权率众降。九月庚子，立郭女王为皇后。随后孙权因解除了蜀国的威胁，孙权遣长子孙登入魏为质一事拖延再三，魏吴两国的联合也逐渐出现貌合神离的状况。同年十月，“孙权复叛。复郭州为荆州。帝自许昌南征，诸军兵并进，权临江拒守。”对于孙权的欺骗与背叛，曹丕十分恼怒，又下《伐吴诏》鼓励将士们曰：“南征进军，以围江陵，多获舟船。斩首执俘，降者盈路。牛酒日至。” 表示坚决要南征孙权之意。
曹丕自许昌南征，诸军兵并进，曹真、张郃、曹休等诸路大捷，击败孙盛、大破吕范、火烧诸葛瑾，几乎攻下江陵，孙权临江拒守，几条战线或溃或败，仅朱然获胜，曹丕胜利在望，却不料遇到疫疾，孙权乘机重新遣使纳贡，双方言和，曹丕退兵。十一月辛未，命镇西将军曹真率诸将及州郡兵讨破叛胡治元多、封赏等，平定河西。过了十天，破胡告檄传到洛阳，曹丕非常高兴，大笑说：“我在帷幕之内运筹帷幄，诸将在万里之外奋勇作战，其相应若合符节。前后战克获虏，没有如此之多的。”
黄初四年（223年），曹仁、曹彰、贾诩先后去世。
黄初五年（224年）四月，曹丕立太学，制五经课试之法，置春秋谷梁博士。
临江观兵
黄初六年（225年）二月，派遣使者从许昌到沛郡询问民间疾苦，救济贫困者。同年，并州刺史梁习大破鲜卑轲比能。
十月，曹丕行幸广陵故城，临江观兵，戎卒十余万，旌旗数百里。当年大寒，水道结冰，舟不得入江，乃引还。期间，经过雍丘，到曹植处所，与曹植见面，增其户五百。十二月，曹丕一行从谯经过梁，派遣使者用太牢礼祭祀东汉太尉乔玄（与曹操为忘年之交）。
去世
黄初七年（226年）正月壬子，曹丕回到洛阳的宫殿。
五月丙辰日（6月28日），曹丕病重，命镇军大将军陈群、中军大将军曹真、征东大将军曹休、抚军大将军司马懿受领遗诏，共同辅佐嗣主曹叡。让后宫淑媛、昭仪已下的都各归其家。同月十七日（6月29日），曹丕去世，时年四十岁。谥号文皇帝，庙号高祖（《资治通鉴》作世祖）。按其生前的文告，不树不坟，葬于首阳陵。