早年經曆
李旦是唐高宗與武則天所生第四子，初名李輪（李旭輪），出生不久便被封為殷王，遙領冀州大都督、單於大都護、右金吾衛大將軍。他在兄弟中排行最小，因而深受父親唐高宗的寵愛。
李輪成年後，謙恭好學，精通書法，對文字訓詁方麵的學問很有研究。他擔任右衛大將軍、洛州牧，曆封豫王、冀王、相王。
永淳二年（683年），李輪改名為李旦，被再次封為豫王。
傀儡皇帝
嗣聖元年（684年），武則天廢皇帝李顯為廬陵王，改立李旦為皇帝，並臨朝稱製，裁決一切政事。她以李旦的名義改年號為文明，冊封正妃劉氏為皇後、長子李成器為皇太子。而後，李旦便被軟禁在皇宮中，不得預聞政事，開始了傀儡皇帝的生活。他不但不能隨意出入宮廷，甚至在皇宮中也不能自由行動。當時，英國公徐敬業在揚州起兵發對武則天。宰相裴炎趁機請武則天還政於李旦，結果被武則天以謀反罪名斬首。武則天派三十萬大軍鎮壓揚州叛亂，徐敬業兵敗被殺。
垂拱二年（686年）正月，武則天下詔，表示要還政於皇帝。李旦知道這是母後在試探於他，便數次上表，極力推辭，請求母後繼續臨朝。武則天遂順水推舟，“接受”了李旦的請求，依舊臨朝稱製，把持朝政。
垂拱四年（688年），武承嗣將一塊刻有“聖母臨人，永昌帝業”八字的白石獻給武則天，聲稱是在洛水中發現的。武則天大喜，將白石命名為“寶圖”（後改稱“天授聖圖”），又加尊號為聖母神皇。李旦作為皇帝，不但無法阻止，還要隨武則天親臨洛水，參加“拜洛受圖”大典。當時，琅琊王李衝、越王李貞起兵發對武則天，結果都兵敗身死。韓王李元嘉、魯王李靈夔、霍王李元軌、紀王李慎、江都王李緒、黃國公李撰、東莞郡公李融、常樂公主等，或被逼自殺，或斬首市曹，或死於流放途中。李唐宗室幾乎被殺戮殆盡。
艱難皇嗣
天授元年（690年），侍禦史傅遊藝率關中百姓九百人上表朝廷，請武則天稱帝。百官、宗室、外戚、四夷酋長，乃至僧尼、道士，紛紛勸進。李旦迫於形勢，也上表請母後稱帝，並求賜武姓。是年九月，武則天正式稱帝，尊號聖神皇帝，改國號為周，史稱武周。李旦被降為皇嗣，賜姓武氏，遷居東宮，一切禮儀皆比照皇太子規格。太子李成器則降稱皇孫。自此，李旦成為了武氏諸王以及酷吏的攻擊目標，開始了艱難的皇嗣生涯。
天授二年（691年），魏王武承嗣的親信張嘉福唆使洛陽百姓王慶之，糾集數百民眾，詣闕上表，以“神不歆非類，民不祀非族”為由，請武則天廢黜李旦的皇嗣身份，改立武承嗣為皇太子。宰相岑長倩、格輔元反對變易皇嗣，被武承嗣誣以謀反，下獄被殺。鳳閣侍郎李昭德不但杖斃王慶之，還借機勸諫武則天，保住了李旦的皇嗣之位。但後來，武則天在萬象神宮舉行祭祀典禮，竟不顧“皇太子為亞獻”的禮製，避開了皇嗣李旦，改由武承嗣為亞獻，並命梁王武三思為終獻
長壽二年（693年），武則天的寵婢韋團兒因引誘李旦被拒，懷恨報複，誣告皇嗣妃劉氏、德妃竇氏用巫蠱之術詛咒武則天。武則天將劉妃、竇妃秘密處死，埋在宮中。李旦對於兩個妃子的失蹤，絲毫不敢提及，在武則天麵前也表現得泰然自若，仿佛什麽都沒有發生過。韋團兒還想加害李旦，結果遭到告發而被處死。不久，尚方監裴匪躬、內常侍範雲仙因私下謁見李旦被殺。武則天又剝奪了李旦接見公卿百官的權力。
後來，李旦又被誣告謀反，武則天命酷吏來俊臣審理。來俊臣對東宮屬官刑訊逼供，讓他們“招出”李旦謀反的實情。樂工安金藏當眾剖腹，以表明皇嗣沒有謀反。武則天深受感動，不再懷疑李旦，命來俊臣停止審理。李旦因此而幸免於難。
安國相王
聖曆元年（698年），武則天在狄仁傑、王方慶等大臣的勸說下，決定將政權歸還給李氏。她命人前往房州，將廬陵王李顯接回洛陽。李旦數次稱病不朝，請求將儲君之位讓於李顯。是年九月，武則天複立李顯為皇太子。
聖曆二年（699年），李旦被複封為相王，兼領太子右衛率，後又遙領安北大都護。當時，武則天為了調解李氏與武氏的矛盾，召集兩族子弟，在明堂盟誓，要兩族和睦共處。李旦作為李氏代表，與李顯、太平公主一同參與了盟誓。
長安元年（701年），突厥默啜可汗率軍南侵。李旦被任命為天兵道元帥，統率諸軍抵禦突厥。他並未領軍出征，隻是名義上的唐軍主帥。不久，突厥退兵，李旦又擔任左、右羽林衛大將軍。
長安二年（702年），突厥進犯並州。李旦被任命為並州牧，並充任安北道行軍元帥。後來，李旦又改任雍州牧。
神龍元年（705年），宰相張柬之、崔玄暐等人發動神龍政變，誅殺武則天的麵首張易之、張昌宗，逼武則天禪位於李顯，是為唐中宗。當時，李旦統率南衙禁軍，捕獲韋承慶、崔神慶等張氏黨羽，因功被拜為太尉、同鳳閣鸞台三品，以宰相身份參預國政，並加號安國相王。不久，李旦辭去太尉及知政事之職。唐中宗又欲立李旦為皇太弟，但卻被其拒絕。
政變登基
主詞條：韋後之亂、唐隆政變
景龍四年（710年）六月，唐中宗駕崩（傳說是被韋皇後毒殺）。韋皇後立溫王李重茂為皇帝，改元唐隆，以皇太後的身份臨朝攝政。她派親信控製南北衙禁軍以及尚書省諸司，大肆網羅黨羽，準備效法武則天，篡奪唐室江山。當時，李旦作為皇帝的叔父，被拜為太尉，與太平公主成為韋後奪位的主要障礙。韋黨決意將二人置於死地。而李旦第三子李隆基則在京師暗中招攬豪傑，與太平公主密謀匡扶社稷。兵部侍郎崔日用本是韋氏一黨，因懼禍將韋氏陰謀密報給李隆基。
六月二十日，李隆基在葛福順、李仙鳧等禁軍將領的協助下，打著“誅諸韋以複社稷，立相王以安天下”的旗號，搶先發動兵變，殺死韋皇後、安樂公主及其黨羽，而後迎李旦入宮輔佐少帝。李旦攜李重茂登上安福門，安撫百姓。當時，李隆基被拜為宰相，進封平王，並統率萬騎禁軍，控製了皇城內外。李重茂迫於形勢，請求讓位於叔父李旦。李旦起初極力推辭，後聽從李隆基、李成器等人的勸說，接受了李重茂的讓位。
六月二十四日，李旦在太極殿登基，第二次即位為帝。他登上承天門，宣布大赦天下，改元景雲，複封李重茂為溫王。當時，李隆基建有大功，而李成器則是嫡長子，都有被立為太子的資格。李旦為此猶豫不決。李成器以“國家安則先嫡長，國家危則先有功”為由，主動辭讓太子之位。劉幽求等政變功臣也大都支持李隆基。李旦遂立李隆基為皇太子。
內禪退位
李隆基被立為太子後，政治勢力日益增長，成為太平公主幹預朝政的主要障礙。太平公主為了長保權勢，便想更易太子，於是在朝野散布流言，聲稱李隆基並非皇帝嫡長子，沒有被立為太子的資格，但因李旦公開宣諭平息流言，未能得逞。她還在李隆基左右安插耳目，監視他的日常行為，並與竇懷貞等大臣結為朋黨，密謀加害李隆基。後來，太平公主與李隆基的矛盾逐漸公開化。她甚至將宰相邀截在宣政殿光範門內，暗示他們應當勸皇帝改立太子，遭到宋璟的嚴詞拒絕。
景雲二年（711年），李旦聽從宰相姚崇、宋璟、張說的建議，命李隆基監國，並將可能威脅到太子地位的李成器等諸王全部削去兵權，同時讓太平公主遷居蒲州（今山西永濟）。但太平公主卻到李旦麵前哭訴，不但留在了京中，還將姚崇、宋璟貶出了朝廷。後來，李旦又欲傳位給太子，雖在群臣的諫阻下未能如願，但卻將政務全部交給李隆基處理，自己僅掌握軍務、死刑的處決權，以及五品以上官員的任免權。
先天元年（712年）八月，李旦因彗星出現，禪位於太子李隆基，退為太上皇，但仍掌握三品以上官員的任命權以及重大刑案的裁決權。他每五日在太極殿接受群臣的朝賀，仍舊自稱為朕。而皇帝李隆基則隻能自稱為“予”。當時，太平公主依仗李旦的信任，在朝中仍擁有強大的勢力，七位宰相有五人出自她的門下，文武百官也大都依附於她。她公然提出要廢掉皇帝，因宰相陸象先反對而未遂。後來，李旦有意遣皇帝李隆基出京巡邊，但最終卻因故延期，將日期改為明年八月。
先天二年（713年）七月，李隆基為奪回皇帝應有的權力，搶先發動先天政變，率羽林軍襲殺竇懷貞、蕭至忠、岑羲等太平公主黨羽，隨後賜死太平公主。李旦初聞變亂，與宰相郭元振登承天門避亂。他得知李隆基已撲滅太平公主的勢力，遂下詔宣布竇懷貞等人的罪狀，而後正式歸政於皇帝，退居百福殿，頤養天年。至此，李隆基終於掌握了全部朝政。
晚年病逝
開元四年（716年）六月，李旦在百福殿病逝，終年五十五歲。是年十月，李旦被葬於橋陵（在今渭南豐山），廟號睿宗，追諡大聖貞皇帝（《新唐書》作大聖真皇帝）。
天寶八載（749年），李旦被改諡為玄真大聖皇帝。
天寶十三載（754年），李旦又增諡為玄真大聖大興孝皇帝。