汉元帝刘奭是宣帝刘询的长子，母亲许皇后。刘奭在宣帝为平民时生于民间，2岁时宣帝即位，9岁时被立为太子。宣帝黄龙元年（公元前49年），宣帝逝世，27岁的刘奭即位。元帝是一个柔弱君主，在他统治时期，西汉王朝开始走下坡路。
刘奭长大以后，柔仁好儒，见宣帝治国重用刑法，曾说：“陛下持刑太深，宜用儒生。”宣帝听后怒形于色，认为汉朝本有制度，历来杂用霸、王二道，刘奭偏好纯儒，恐怕是一个性格懦弱、不善用人的低能继承人。他担忧刘奭不能继承重任，有意更换太子，但又不愿背弃自己已故的患难之妻、刘奭的生母许皇后，所以一面叹息“乱我家者必太子也”，一面还是把帝位传给了刘奭。
果然，继位的元帝放弃了汉室前几位皇帝的“杂用王霸之道”的传统，重视经学，独尊儒术，尊师崇儒。所以，朝中的重臣大多是他的师傅和儒生。
宣帝临终之前，托付三名大臣辅佐朝政，一位是外戚史高，另两位是元帝的师傅肖望之和周堪。肖望之是东海兰陵（今山东枣庄东南）人，宣帝时任太子太傅，教授《论语》和《礼仪》，与同时教授《尚书》的少傅周堪都是德高望重的老臣。宣帝在病中拜肖望之为前将军光禄勋，拜周堪为光禄大夫，授诏辅政，兼领尚书事。肖、周二人本为师傅，又受先帝遗诏辅政，所以元帝即位之初，接连数次宴见肖、周，研究国事，讨论朝政。元帝对师傅极为尊重和信任。
元帝还大力擢用儒生。当时，肖望之推荐了博学多才的大儒刘向和忠正耿直的金敞，元帝均付以重任，并加官给事中，即特赐随便出入禁中、参与机密之权。他即位不久，听说琅邪（今山东诸城）人王吉和贡禹是明经洁行的儒学大师，就特派使者召来京师做官，王吉病死在赴京途中，贡禹入京拜为谏大夫，随后又升为御史大夫，位列三公。为了发展儒学，重用儒生，元帝曾一度指令京师太学的博士弟子取消定员限制，凡能通一经的民间儒生均免除兵役、徭役。后因用度不足，博士弟子定员千人，即使这样也比宣帝末年的名额增长了5倍。元帝在位期间重用的大臣，多为汉代知名的经学大师。
在元帝起用的儒生中，有不少性格耿正，敢于直谏的人。元帝重儒，因而对于直言极谏的儒者多不怪罪。薛广德敢于直言，有时甚至搞得元帝很难堪。一次，元帝出宫中便门到宗庙祭祀祖先，忽然产生了乘船观水的浓厚兴趣，打算放弃桥渡路线，改坐楼船前往宗庙。薛广德拦在元帝前，脱掉帽子，恭敬地跪在地上叩头，要求元帝从桥上通过。元帝让他戴上帽子起来，薛广德说：“陛下不听为臣规谏，臣将自刎，用鲜血污染车轮，那时陛下就不能进庙去祭祀先祖了。”元帝听后，很不高兴。光禄大夫张猛对元帝说：“陛下，臣听说有圣明的君主才有敢言的直臣。乘船危险，走桥安全，圣明君主不靠近危险，御史大夫的话是应该听从的。”元帝瞪了薛广德一眼，说：“晓人以理不应该这样吗？”于是从桥上通过。
元帝尊师重儒的同时，也宠奸任佞，一批奸佞小人麇集于朝廷要枢，石显是其中最主要的一个，他依靠元帝宠信，以中书令官职专权十几年，一直到成帝即位。
石显出身于世代书香的大地主家庭，少年犯法受宫刑，入宫为宦官，宣帝末年任中书仆射，与中书令弘恭结为党友。元帝即位时，石显已经是一个饱览宦海沉浮和官场事故的钻营利禄的老手了。他口齿伶俐，头脑狡黠，内心歹毒，不但精通朝务，左右逢源，而且能用心计和语言探测出皇帝尚未明讲或难于言传的内心含意，凭着这套本领，很快就赢得了元帝的欢心和宠信。随着宠信加深，中书的权力日益增大，石显等人以久典枢机、熟悉朝务为优势，常常非议、抵制甚至推翻领尚书事的肖望之、周堪的意见，引起肖、周等正直派官员的反对。于是朝中形成了以弘、石为首的中书势力和以肖、周为首的正直势力的对立局面。双方明争暗斗，越演越烈。
肖、周向元帝提出废除中书机构，试图根除石显等一伙奸佞势力。元帝性格柔弱，采取折衷态度，对废除中书之议久置不决。而石显、弘恭则及时行动，数次设计，先是逼肖望之自杀，后又气死了周堪。虽说元帝怜惜师傅，而且还把周堪的职位加在石显之上，但是终因识不破石显的计谋，而石氏又稳操实权，未能保住师傅的地位、性命。从此正直派官员失去了首领，更处于被动和困难境地。
正直派失败后，朝中有一名郎官，名京房，他见石显专权，吏治败坏，就制订了一套清明吏治的奖惩方案，名曰“考功课吏法”。元帝很赏识这套方案。但京房深知要推行其法，必须首先除掉石显。在一次晏见时，京房向元帝提出一连串发问，做了一次深入透彻的进谏。京房问：“周幽王、厉王为何危身亡位？他们任用的什么人？”元帝说：“君主糊涂，用的是巧佞人。”京房又问：“知道巧佞而任用呢还是以为他们贤明？”元帝说：“当然是认为他们贤明。”京房接着问：“那么后人为何知道他们不贤明？”元帝说：“后人看到乱世亡君的恶果，所以知道不贤明。”京房说：“这么说来，是任贤必治，任佞必乱。那么幽、厉为何不觉悟，为何一直任用佞臣，以致搞得国破身亡？”元帝回答：“面临乱亡的君主都自以为任用的臣是贤臣，若都觉悟，天下哪里还会有昏君呢！”京房把话锋一转，问：“那么陛下观当今天下是治世还是乱世？”元帝毫不隐讳地说：“也算是极其混乱了，还有什么说的。”京房又问：“那么当今陛下任用的是何人？”元帝支吾其词：“……话不能这么讲，今天虽然混乱，比幽、厉时还算好些；况且这与用人没有关系。”京房感慨地指出：“陛下，前代君主就是这样看待他那个时代的，臣恐怕后人评论今天，也像我们今天评论前代一样啊。”元帝沉默了。好一会儿才说话，他问：“那么，你说今天为奸行佞的乱臣是谁？”京房回答：“明主自己应该知道。”元帝说：“朕不知道。如果知道，朕为何还要用他？”京房说：“臣所说的，就是陛下所最信任、共同在帷幄中密图大事、掌握天下用人权的那个人。”元帝明白京房指的是石显，于是说：“朕已知晓。”
京房这番忠谏，可谓语重心长，发人深思，但京房退后，元帝信用石显一如既往。因为石显已经用各种狡诈手段骗得了元帝对他牢不可破的宠信，石显对元帝骗得越深，元帝对石显越信任，后来干脆把朝政一股脑推予石显。事无大小，都由石显汇报，也多由石显裁决。石显贵幸倾朝，文武百官都敬畏他。继肖望之、周堪、张猛死后，石显为排除异己，又陆续害死京房、郑弘、张博、贾捐之、苏建等人，并迫害陈咸、朱云、王章等多人。由于元帝过于宠信石显，石显总以中书（尚书）权力侵夺朝权，渐使汉代尚书机构权力重起来。石显凭借尚书权，不断清除政敌，入狱的入狱，服刑的服刑，有的免官归野，有的合家流放，不少人被推上断头台。上至公卿下至郎吏的满朝官员，无不畏惧以石显为首的中书势力，处处小心谨慎，甚至连走路时抬腿落足也不敢稍有疏忽大意。
元帝在位期间，匈奴已经衰落，边郡比较平安，不过偶尔也会出现一些小摩擦。对于如何处理边郡问题，元帝总是召集群臣讨论，而往往采取在争辩中占上风的意见和主张。
武帝开拓汉域南疆时，曾在今海南岛设置珠崖、儋耳二郡，由于汉朝官吏对当地人民进行残酷压迫，经常激起武装反抗。元帝即位的次年，珠崖山南县起兵反汉，连年不能平定。元帝召集群臣讨论，拟调重兵前往镇压。后元帝采纳多数派代表贾捐之的主张，决定放弃珠崖郡。初元三年（公元前46年），下诏宣布罢除珠崖郡，郡中居民愿意属汉，妥善安置，不愿属汉，不相勉强。这样，珠崖郡自武帝元封元年（公元前110年）设置以来，历时64年，至元帝被废。
永光二年（公元前42年）秋，陇西郡姐羌旁种反叛汉朝，元帝又召集群臣讨论对策。元帝听双方各自言之有理，就在采纳多数人意见的基础上，命冯奉世率1万多官兵开进陇西郡，分屯三处，被羌人破军杀将，进守不得。冯奉世只好画出陇西郡的详细地形和羌汉兵力的分布局势，呈送元帝请求援兵。元帝征发6万援军开入陇西，当年年底平定了羌人的叛乱。
汉元帝外交政策上的成功之例，是和北方的匈奴修好，胡汉和亲。元帝即位之初，匈奴已经衰弱，内部矛盾重重。呼韩邪单于归汉，初元元年上书言民众困乏，元帝命云中、五原二郡输送谷2万斛救援。郅支单于叛汉，初元四年杀汉使者，逃往康居。建昭三年（公元前36年）冬，西域都护甘延寿和副校尉陈汤矫诏调集西域各国兵，诛斩了郅支单于。呼韩邪单于闻听诛斩了郅支，又喜又怕，上书提出朝见天子。竟宁元年（公元前33年），呼韩邪来长安朝拜元帝，要求做汉朝皇帝的女婿，以表示与汉亲近。元帝以后宫良家女子王昭君赐予单于，呼韩邪万分高兴，要为汉朝保护西北边塞，请元帝罢除西北边防，与民休息。元帝让有关部门讨论，议者都以为是件好事，惟郎中侯应力主不可，他从汉朝边防的长远大计出发，向元帝列举了10条无可辩驳的理由。于是，元帝派人婉转地谢绝了呼韩邪单于善意的请求。
汉元帝在位期间，也采取了一些政策，希图振兴国家，但是终因积弊太深，元帝本人柔弱无能，又宠信奸佞，未能如愿。
继位之初，元帝的师傅和儒臣纷纷进谏，禁奢糜，行节俭。如贡禹即指出，汉初君主俭朴，什一而税，没有其他赋役，所以家给人足。高祖、文、景之时，皇帝宫女不过10多人，厩马百余匹，后来日益奢侈，后宫女子竟达数千人，厩中食粟之马达到万匹。上行下效，全都奢侈起来，诸侯妻妾有的多达几百人，豪富者的歌女也有数十人，造成天下内多怨女，外多旷夫。他建议元帝首先从自己做起，成为节约的表率，来纠正社会的侈糜之风。在贡禹规谏下，元帝在皇室范围内先后采取了许多节俭的措施。他诏令停止维修那些不经常去的离宫别馆，太仆减少喂马的谷，水衡减少喂兽的肉，撤销黄门署的乘舆、狗马和玩物，并把水衡禁囿、宜春下苑、少府佽飞外池和严御池田四处田猎游玩场所假与贫民田居。他又下诏解除甘泉、建章二宫的警卫，卫士一律回乡务农。百官各署务必减省费用，将实际情况向上汇报。还诏命负责宫中饮食的太官，不要每日屠宰，伙食费照以往省减二分之一。乘舆养马以不误正事为准则，不可铺张浪费。并罢除了角抵戏以及常用的上林宫馆。
尽管元帝重用儒生，能在一定程度上纳谏，并采取了一些轻刑和节俭的措施，但这些并没有改变西汉王朝的没落。以轻刑来说，元帝曾减省刑罚70多项，并连年大赦，但今日大赦，明日犯法，相随入狱，盗贼满山，社会治安极为混乱。以节俭来说，元帝做出不少示范动作，但侈糜之风有增无已。由于积重难返，元帝也别无良策，振兴乏力，再加上宠信佞臣，所以上梁不正下梁歪，朝纲不整，必然会败坏地方吏治，以致贪官暴敛，酷吏横行，哀鸿遍野，民不聊生，西汉王朝只能向下坡路滑去。
汉元帝做太子的时候，姬妾美人众多，可他独宠司马良娣。她去世以后，元帝不近众姬妾。后来，在其父宣帝和皇后的撮合下，选美女王政君入宫。一夜之伴，怀上刘骜。刘骜诞生后，宣帝非常喜爱，亲自给他起名为骜，字太孙，常留在身边玩耍。元帝即位后，立刘骜为太子，诏命史丹辅佐太子；立王政君为皇后，但王政君很少能够亲近元帝，元帝并不爱她。而太子刘骜年少时喜好经书儒学，为人宽博谨慎，后来却贪婪酒色，沈于燕乐，元帝感到他越来越没出息，也就不那么宠爱了。
元帝晚年得病，不亲政事，贪图安逸。他不喜皇后和太子，而爱宠妃傅昭仪和其子刘康，遂生易储之念。竟宁元年（公元前33年），元帝病重，傅昭仪和刘康常侍左右，而皇后王政君和太子刘骜稀得进见。元帝几次问尚书关于景帝废栗姬所生太子而立胶东王刘彻的旧例，打算效仿故事易储。皇后王政君、太子刘骜和刘骜长舅卫尉王凤日夜忧愁，不知如何是好。史丹是元帝的亲密旧臣，能入禁中看望元帝。他乘元帝独寝时，径直闯入卧室，跪在元帝面前哭诉说：“皇太子以嫡长子立为太子，已经有10多年了，名号印入百姓心中，天下无不归心。现在见定陶王受陛下深宠，纷传陛下打算易储，道路流言，满城风雨。若果有此事，公卿以下的满朝群臣必定以死相争，拒不奉诏。愿陛下先赐臣死，以示群臣。”元帝本为仁柔皇帝，不忍见爱臣伤心流泪，又觉得史丹言辞恳切，深受感动，怆然太息说：“寡人的身体江河日下，朝不保夕，然而太子和两王年少，欲去又留恋，怎能不挂念呢？不过，却没有易储的打算。况且，皇后是个宽厚谨慎的人，先帝又喜欢骜儿，我岂能违背他老人家的旨意。你是从哪里听到这些闲话呢？”史丹借着元帝的话茬，连连叩头说：“愚臣妄闻胡说，罪该万死。”元帝说：“我的病日益沉重，恐怕不能好了。尽心辅佐太子吧，不要让我失望。”从此，元帝打消了易储之念。
当年五月，元帝死于未央宫。在位16年，终年43岁。六月，太子刘骜即位，是为成帝。七月，成帝为父举行葬礼，葬于渭陵（今陕西咸阳东北）。谥号“孝元皇帝”。平帝元始四年（公元前4年），尊庙号为“高宗”。