早年經曆
漢中平四年（187年）冬，曹丕生於譙縣。他自幼天資聰穎，後天良好的教育成長環境，給予了他深厚的文學素養。年少成長的階段，他廣學博覽，“少誦詩、論，及長而備曆五經四部、史漢、諸子百家之言，靡不畢覽。”為日後的文學創作打下了堅實的基礎。
初平三年（192年），曹操認為時下兵荒馬亂，教曹丕學射箭，六歲時，曹丕學會了射箭。八歲時，曹丕學會了騎馬。從十歲起，曹丕就隨父親征戰南北，長時間的軍旅生活鍛煉了他強健的體魄，而且還豐富了他的見聞，為其詩篇創作積澱了大量的素材。隨著他年齡與閱曆的不斷成長，艱苦生活環境帶來的精神衝擊，逐漸形成了他特有的沉鬱性格氣質。
建安二年（197年），曹丕隨曹操南征張繡，張繡先降後反，曹操長子曹昂和侄兒曹安民遇害，年僅十歲的曹丕乘馬逃脫。
建安十五年（210年），曹丕被司徒趙溫舉薦，曹操認為趙溫舉薦他的兒子，並不是因為他真實的才能，因此使侍中守光祿勳郗慮持節奉策免去趙溫官職。次年（211年），任五官中郎將、副丞相。
建安十八年（213年），曹操帶著曹丕等人，回到亳州老家上拜墳墓。事畢，曹丕等乘馬遊觀，經過東園，循著渦河，穿過高林，駐馬書鞭，寫下《臨渦賦》。
奪嫡之爭
曹丕是曹操的次子，曹昂死後，曹操還曾打算傳位其庶弟曹衝。曹衝是個神童，五六歲時智力已經“有若成人”。且天性仁厚愛人，常常為不慎犯了過失的設法解免，“賴以濟宥者，前後數十”。為此，曹衝深得曹操的寵愛，但曹衝十三歲患病夭折。在他死後，曹操曾對曹丕說：“此我之不幸，而汝曹之幸也。”曹丕後來也常對人說：“若使倉舒在，我亦無天下。”不久，曹丕同母弟曹植，隨後以風流文采而展露頭角，深受曹操喜愛。於是就發生了曹丕、曹植兄弟間的奪嫡之爭。
曹操長期在立嗣上狐疑不決，難免不影響下屬。時間一長，下屬間漸漸形成了擁護曹丕和擁護曹植的兩個集團。擁護曹丕的有桓階、邢頤、吳質、賈詡等人，擁護曹植的有丁廙、丁儀、楊修、孔桂、楊俊等人。他們各自結為黨羽，設計謀、造輿論，爾虞我詐，互相傾軋。擁護曹植的楊修出身東漢名門“弘農楊氏”，是個智謀過人的奇士，又身為曹操的主簿，消息特別靈通，對曹植十分有利，在他出謀畫策之下，曹植在這場爭奪戰中漸占優勢，“幾為太子者數矣”。但因曹植“任性而行，不自雕勵，飲酒不節。”終為曹操所不悅。
建安二十二年（217年），曹丕運用各種計謀，在司馬懿、吳質等大臣幫助下，在繼承權的爭奪中戰勝了曹植，被立為魏王世子。建安二十四年（219年），曹丕作為儲君駐守鄴城，魏諷密謀攻鄴，與之同謀的陳禕自首，曹丕率眾平定變亂，誅殺魏諷。
登基為帝
延康元年（220年）正月，曹操逝世於洛陽，曹丕從鄴城至洛陽繼承丞相位，稱魏王，改建安二十五年為延康元年。初登高位手掌大權的曹丕，麵對突而其來的權力交接，心理上不免有些激動和誌滿意得。麵對從乃父手中接管下來的國家，深感完成乃父複興國力和實現統一之遺誌，將是他人生今後任重而道遠的責任。
曹丕從東漢末年，綱紀紊亂的曆史中吸取教訓，迅速將權力集中在手，穩定政權局勢。他深知隻有加強鞏固自己的集權，才能鞏固自己的權利寶座的重要性。他一開始就從內部權利製衡中著手，迅速做出反應。他籠絡和扶植自己的政治勢力，重新分配在權利蛋糕上的占有份額，同時打擊排除異己勢力。二月，任命賈詡為太尉，華歆為相國，王朗為禦史大夫。已卯，任命夏侯惇為大將軍。濊貊、扶餘單於、焉耆、於闐王皆各遣使奉獻。五月，冊封投降的山賊鄭甘、王照為列侯，又命蘇則督軍平定武威、酒泉和張掖的叛亂。七月，孫權遣使奉獻，同月，命夏侯尚、徐晃與蜀將孟達裏應外合，收複上庸三郡。武都氐王楊仆率種人內附，居漢陽郡。甲午，帶著軍隊駐紮在譙，在邑東以酒食慰勞六軍和譙郡父老。
十一月癸卯，下詔收斂、祭奠陣亡將士。乙卯，漢獻帝禪讓，曹丕三次上書辭讓。 辛未，曹丕登受禪台稱帝，改元黃初，改雒陽為洛陽，大赦天下。 黃初元年（220年）十一月癸酉，以河內郡山陽邑萬戶奉漢獻帝為山陽公。
平胡征吳
曹丕對外一向主張征伐，渴望早日實現統一山河的誌向。他積極折衝疆場，曾兩次興師伐吳。
黃初二年（221年），吳國孫權攻擊劉備，關羽敗走麥城被殺，遂收荊襄之地。孫權害怕劉備報複首尾難顧，假意與魏曹丕修好“孫權遣使者奉章，並遣於禁等還。”曹丕遣“使太常邢貞持節拜權為大將軍，封吳王，加九錫。”孫權假意稱臣。劉備憤孫權之襲關羽，率諸軍伐吳，孫權遣書請和，劉備盛怒不許。是年，攻破吳軍巫口和姊歸兩處。
黃初三年（221年）正月，孫權給曹丕上書言說出兵迎敵，曹丕作《報吳王孫權書》鼓勵其殺敵。二月，鄯善、龜茲、於闐王各遣使奉獻。是後西域複通，置戊己校尉。三月，封曹叡為平原王，弟弟曹彰等十一人皆為王。四月，封曹植為鄄城王。閏月，孫權破劉備於夷陵。當初曹丕聽說劉備率軍東下，與孫權交戰，樹柵連營七百餘裏，對群臣說：“劉備不懂兵法，哪有連營七百裏抵抗敵人的！‘苞原隰險阻而為軍者為敵所禽’，這是用兵的忌諱，孫權打敗劉備的上書快到了。”過了七天，孫權擊破劉備的文書送到。八月，蜀大將黃權率眾降。九月庚子，立郭女王為皇後。隨後孫權因解除了蜀國的威脅，孫權遣長子孫登入魏為質一事拖延再三，魏吳兩國的聯合也逐漸出現貌合神離的狀況。同年十月，“孫權複叛。複郭州為荊州。帝自許昌南征，諸軍兵並進，權臨江拒守。”對於孫權的欺騙與背叛，曹丕十分惱怒，又下《伐吳詔》鼓勵將士們曰：“南征進軍，以圍江陵，多獲舟船。斬首執俘，降者盈路。牛酒日至。” 表示堅決要南征孫權之意。
曹丕自許昌南征，諸軍兵並進，曹真、張郃、曹休等諸路大捷，擊敗孫盛、大破呂範、火燒諸葛瑾，幾乎攻下江陵，孫權臨江拒守，幾條戰線或潰或敗，僅朱然獲勝，曹丕勝利在望，卻不料遇到疫疾，孫權乘機重新遣使納貢，雙方言和，曹丕退兵。十一月辛未，命鎮西將軍曹真率諸將及州郡兵討破叛胡治元多、封賞等，平定河西。過了十天，破胡告檄傳到洛陽，曹丕非常高興，大笑說：“我在帷幕之內運籌帷幄，諸將在萬裏之外奮勇作戰，其相應若合符節。前後戰克獲虜，沒有如此之多的。”
黃初四年（223年），曹仁、曹彰、賈詡先後去世。
黃初五年（224年）四月，曹丕立太學，製五經課試之法，置春秋穀梁博士。
臨江觀兵
黃初六年（225年）二月，派遣使者從許昌到沛郡詢問民間疾苦，救濟貧困者。同年，並州刺史梁習大破鮮卑軻比能。
十月，曹丕行幸廣陵故城，臨江觀兵，戎卒十餘萬，旌旗數百裏。當年大寒，水道結冰，舟不得入江，乃引還。期間，經過雍丘，到曹植處所，與曹植見麵，增其戶五百。十二月，曹丕一行從譙經過梁，派遣使者用太牢禮祭祀東漢太尉喬玄（與曹操為忘年之交）。
去世
黃初七年（226年）正月壬子，曹丕回到洛陽的宮殿。
五月丙辰日（6月28日），曹丕病重，命鎮軍大將軍陳群、中軍大將軍曹真、征東大將軍曹休、撫軍大將軍司馬懿受領遺詔，共同輔佐嗣主曹叡。讓後宮淑媛、昭儀已下的都各歸其家。同月十七日（6月29日），曹丕去世，時年四十歲。諡號文皇帝，廟號高祖（《資治通鑒》作世祖）。按其生前的文告，不樹不墳，葬於首陽陵。