根据《晋书》记载，桓温是东汉大儒桓荣之后。但据历史学家田余庆考证，桓温的高祖（或高伯祖、高叔祖）是三国时期在嘉平之狱中被司马氏诛杀的曹魏大司农桓范。
谯国龙亢桓氏沦为刑家，在西晋并非高门望族。桓彝南渡后交结名士，跻身江左八达之列，并“志在立功”，曾与明帝密谋平定王敦之乱，使得家族地位有所上升。
咸和三年（328年），桓彝在苏峻之乱中被叛军将领韩晃杀害，泾县县令江播也曾参与谋划。当时桓温年仅十五岁，枕戈泣血，誓报父仇。咸和六年（331年），江播去世。其子江彪等兄弟三人为父守丧，因怕桓温前来寻仇，预先在丧庐内备好兵器，以防不测。桓温假扮吊客，混入丧庐，手刃江彪，并追杀其二弟，终报父仇，由此为时人所称许。
桓温为人豪爽，姿貌伟岸，风度不凡，后娶南康长公主为妻，加拜驸马都尉，并袭父爵为万宁县男。咸康元年（335年），桓温出任琅琊内史（相当于太守）。
建元元年（343年）七月，朝廷以桓温为前锋小督、假节，让他率部据守临淮（今江苏盱眙），协助荆州刺史庾翼北伐。同年十月，桓温升任徐州刺史，并都督青徐兖三州诸军事。他与庾翼交好，曾相约一同匡济天下。
永和元年（345年），庾翼病逝，临终前请求让儿子庾爰之接掌荆州，但辅政的侍中何充却推荐桓温。丹杨尹刘惔认为桓温确有奇才，但亦有野心，不能让其掌握荆州形胜之地。他建议会稽王司马昱自领荆州，但司马昱却不肯采纳。
平定蜀地
桓温出镇荆州后，打算西伐占踞巴蜀的成汉政权，以建立功勋。而当时的成汉正日渐衰微，皇帝李势更是荒淫无道。江夏相袁乔对此极力赞同，建议桓温率领一万精兵轻军速进，直攻成都。同时，他认为北方的后赵政权不敢趁机进犯，以打消桓温的顾虑。桓温遂决定伐蜀。
永和二年（346年）十一月，桓温上疏朝廷，请求伐蜀，但未等朝廷回复，便与征虏将军周抚、辅国将军司马无忌率军西进。他命袁乔率二千人为前锋。
永和三年（347年）二月，桓温兵至青衣（今四川名山北）。李势命将领李福、昝坚率大军赶赴合水，以抵御晋军。汉军诸将欲在江南设伏，昝坚却从江北鸳鸯琦渡江，向犍为（今四川彭山东）开进，结果与晋军异道而行。同年三月，桓温兵至彭模（今四川彭山东南），留下参军周楚、孙盛看守辎重，自己亲率步兵直趋成都。李福回军袭击彭模，被孙盛等人击退。而桓温则三战三胜，击败李权等部汉军，进逼至成都城下。
昝坚赶到犍为，未遇晋军，便从沙头津（今四川新津南）渡江还军，却得知晋军已攻至成都城外十里陌，因此不战自溃。李势只得集结所有兵力，在成都城外的笮桥与晋军决战。当时战况惨烈，晋军前锋失利，参军龚护战死，汉军的箭矢甚至射到了桓温的马前。诸将皆惧，意欲退兵，而鼓吏却在这时误击前进鼓。袁乔乘势督促军士奋战，终于反败为胜，大败汉军。桓温趁胜攻入成都，并焚毁小城。
桓温平蜀后，在当地举任贤能，援引贤才为己用，将成汉旧臣王誓、王瑜、邓定、常璩等人辟为参军，成功安抚蜀地。但王誓、邓定不久便举兵叛乱，最终都被晋军讨平。桓温在蜀地留驻一个月，便班师返回江陵（今湖北江陵）。
逼废殷浩
平蜀之战使得桓温声名大振，朝廷忌惮不已，担心他日后难以控制。会稽王司马昱只得让扬州刺史殷浩参与朝政，以期能对桓温有所抑制。桓温虽有不满，但因熟知殷浩为人，知其难有作为，对此并不担心。当时，桓温治下有八州之地，自行招募军卒、调配资源，逐渐形成半独立状态，渐露不臣之心。朝廷对他已不能征调如意，但求羁縻而已。因国中无事，君臣尚能相安。
永和五年（349），后赵皇帝石虎病死，北方形势大乱。桓温立刻上疏朝廷，请求北伐，但却始终未得回复。永和七年（351年）十二月，桓温再次“拜表辄行”，率五万大军顺流而下，至武昌（今湖北鄂城）而止。朝廷为此惊恐不安，殷浩也打算辞官避让。司马昱亲自写信给桓温，极力劝阻，终使桓温率军还镇，返回荆州。后来，朝廷又拜桓温为太尉，被桓温拒绝。
此后两年间，殷浩数次北伐，欲进据洛阳，修复园陵，但却屡次战败。军需物资更被掠夺殆尽，朝野怨恨不已。永和十年（354年）正月，桓温上奏朝廷，列举殷浩罪状，迫使朝廷将殷浩废为庶人。从此，朝廷内外大权尽归桓温，朝中已无人再能阻止桓温北伐。
一伐前秦
永和十年（354年）二月，桓温率军北伐前秦。他亲率步骑四万自江陵出发，由水路自襄阳入均口（今湖北均县西），然后自淅川（今河南淅川东）直趋武关（今陕西丹凤东南），同时命梁州刺史司马勋兵出子午道，合击秦军。晋军历经数次血战，生擒前秦将领郭敬，击退淮南王苻生，顺利进入关中。前秦皇帝苻健命苻苌、苻雄、苻菁等将领率五万军队屯兵峣柳（今陕西商县西北），以阻挡晋军。
同年四月，桓温转战至灞上（今陕西西安东）。苻苌等部秦军退守长安城南，苻健自领羸兵六千固守内城，附近郡县更是纷纷来降。桓温抚喻百姓，使其安居复业。关中百姓牵牛担酒沿路迎接，许多老人更是疼哭失声：“没想过今天还能再次见到官军！”
桓温进入关中时，正值麦收时节，他就打算就地收麦，以解决军粮问题，于是屯兵不前。苻健闻听晋军收粮，猜到恒温军中粮草不足，遂采取坚壁清野的方式，使得晋军粮秣不继。六月，桓温被迫撤返江陵，并将关中三千多户百姓一同迁走。秦军随后趁势追击，晋军大败，伤亡甚众。
二伐姚襄
永和十二年（356年）二月，桓温数次上表，请求朝廷移都洛阳，修复园陵，但都没有得到朝廷同意。不久，朝廷拜桓温为征讨大都督，都督司、冀二州诸军事，负责征讨事宜。七月，桓温自江陵出兵再次北伐，并命督护高武据守鲁阳（今河南鲁山），辅国将军戴施屯驻河上，进逼许昌、洛阳。同时，他上疏朝廷，请求徐、豫二州出兵淮、泗，进入黄河，以配合作战。
同年八月，桓温兵至伊水（在今洛阳城南）。羌族首领姚襄正围困洛阳，闻桓温来攻，撤军而回，在伊水之北拒水而战。桓温亲自披甲督战，命晋军结阵而进，终于大破姚襄，收复洛阳。他进入金墉城，拜谒先帝皇陵，并设置陵使修复皇陵。不久，桓温班师南回，并将三千多家归降百姓南迁至长江、汉水一带。
移镇姑孰
隆和元年（362年），前燕将领吕护进攻洛阳。河南太守戴施弃城而逃，冠军将军陈祐遣使告急。五月，桓温派竟陵太守邓遐率三千人协助守城，再次上表要求迁都洛阳，并建议将永嘉之乱后流亡江南者全部北徙，以充实河南之地，皆被朝廷驳回。后来，朝廷又以交州、广州偏远为由，免去桓温的交广二州都督，改授其为都督并司冀三州诸军事。桓温上表推辞。
兴宁元年（363年），朝廷加授桓温为侍中、大司马、都督中外诸军事、假黄钺，赐其羽葆鼓吹一部。二年（364年），桓温率水师进驻合肥，准备北伐。五月，朝廷进封桓温为扬州牧、录尚书事，遣侍中颜旄宣旨，召其入朝参政。桓温以中原尚未恢复为由推托。朝廷不许，再次征桓温入朝，但当桓温赭圻（今安徽繁昌西）时，却又尚书车灌前来制止。桓温遂驻军赭圻，上表辞去录尚书事一职，只遥领扬州牧。
兴宁三年（365年），前燕再次攻打洛阳，陈祐出逃。司马昱得知，与桓温在洌洲（在今安徽和县）会面，命他移镇姑孰（今安徽当涂），准备征讨之事，但最终因晋哀帝驾崩而作罢。
三伐前燕
太和四年（369年）三月，徐兖二州刺史郗愔致信桓温，表示愿意与他共同辅佐王室，请求率部出河上。当时，北府兵卒悍勇，桓温不愿让郗愔掌握京口（今江苏镇江）重镇。郗愔之子郗超为桓温参军，暗中将原信毁掉，并以父亲的名义伪造信件，自称老病，请以闲职休养。桓温便顺势改任郗愔为会稽内史，自领徐兖二州刺史，兼并了郗愔的军队。
同年四月，桓温亲率步骑五万，与江州刺史桓冲、豫州刺史袁真一同北伐前燕。他率军攻湖陆，擒获燕将慕容忠，进逼金乡。当时正逢大旱，水道不通，桓温便让人在钜野开凿水路三百里，使船只由清水进入黄河。郗超建议桓温尽率全军直击前燕国都邺城，或者坚守河道，控制漕运，储蓄粮食，直至明年夏天再继续进攻。他认为如不速战速决，当战事拖延至秋冬后，在水量减少而北方早降温的客观条件之下，会令晋军更难维持。但桓温全都不听。
七月，燕国大将慕容垂、傅末波等人率八万大军前来抵抗晋军，两军对峙于枋头（在今河南浚县）。桓温命袁真进攻谯、梁，并打开石门水道。但袁真始终无法开通石门，最终晋军军粮耗尽。九月，桓温焚毁战船，退军而去。慕容垂率八千骑军追赶，与晋军战于襄邑（今河南睢县西）。桓温大败，死伤三万人。
攻陷寿春
桓温兵败后，退至山阳（今江苏淮安），收集散卒，并将战败之罪委于袁真。他上疏朝廷，请废袁真为庶人。袁真不服，据寿春（今安徽寿县西南）叛变，并暗中勾结前秦、前燕。朝廷不但不敢追究桓温的兵败之责，还命侍中罗含带着牛酒到山阳犒劳桓温，并任命其子桓熙为豫州刺史。后来，桓温又移镇广陵（今江苏扬州）。
太和五年（370年）二月，袁真病死，部将朱辅拥立其子袁瑾为豫州刺史。前燕、前秦都遣军援助袁瑾，桓温命部将竺瑶、矫阳之率军迎战。燕军先至，在武丘（今河南沈丘东南）与竺瑶交战，结果大败而回。同年八月，桓温率二万军队攻打寿春，并筑起长围，将城池团团围困。袁瑾只得婴城固守。
太和六年（371年），前秦将领王鉴、张蚝率军援救袁瑾，结果被桓温部将桓伊、桓石虔（桓温之侄）击败。不久，桓温攻破寿春，俘获袁瑾，将袁瑾、朱辅及其宗族数十人全部送往建康斩首。袁瑾妻女被赏赐将士，所侍养的数百乞活军则被活埋。从此，豫州彻底落入桓温之手。桓温掌握了进入建康的锁钥。
废帝立威
桓温自负才能过人，久怀异志，因此发动北伐希望先建立功勋，然后回朝接受九锡，从而夺取政权。但因第三次北伐失败，声望大减，图谋不成。寿春之战后，桓温曾问郗超道：“这次胜利能雪枋头兵败之耻吗？”郗超则表示不能，并建议桓温效仿伊尹、霍光，废立皇帝，以重立威权。桓温遂决定废黜皇帝司马奕。
太和六年（371年）十一月，桓温带兵入朝，威逼褚太后废除司马奕的帝位。他诬称司马奕因阳痿不能生育，让宠臣相龙、计好、朱炅宝等人与后宫美人私通，所生三子将冒充皇子建储为王。褚太后只得集百官于朝堂，下诏废司马奕为东海王。 而后，桓温亲率百官至会稽王邸，迎司马昱入朝，拥立为帝，是为晋简文帝，改元咸安。
晋朝开国百余年，从未发生废立之事。桓温擅行废立，不仅令百官震栗，自己也紧张不已。前秦皇帝苻坚对此不以为然，他道：“桓温此前败于灞上，而今又败于枋头，十五年内两次使国家军队遭受重大打击。不但不反思过错，向百姓谢罪，竟还废黜君主。六十岁的老叟如此举动，如何自容于天下？”
清除异己
桓温废立后，对朝中的异己力量大加废徙。
武陵王司马晞好习武事，又在朝中担任太宰重职，素为桓温所忌。桓温以“聚纳轻剽，苞藏亡命”为由弹劾司马晞，免去司马晞与其子司马综、司马囗的官职，让他们返回封地。后来，桓温又逼新蔡王司马晃自首，称与司马晞、司马综、著作郎殷涓、太宰长史庾倩、散骑常侍庾柔等人谋反，将他们收付廷尉，请予诛杀。简文帝不许。最终，司马晞、司马晃被废为庶人，殷涓、庾倩、庾柔等人都被族诛。
颍川庾氏是高门望族，势力强盛，庾希、庾倩等兄弟六人皆为朝中显贵，深为桓温所忌。庾倩、庾柔被诛后，庾蕴饮鸩自尽，庾希则与弟弟庾邈、儿子庾攸之逃入海陵（今江苏泰州）陂泽。青州刺史武沈是庾希表兄，暗中为他供应粮饷。庾友因儿媳桓氏是桓温侄女，得到求情，最终得以幸免。
咸安二年（372年），桓温得知庾希兄弟的踪迹，派军队搜捕。庾希遂与武沈之子武遵在海边聚众抢夺船只，乘夜攻入京口，赶跑晋陵太守卞耽。他们打开监狱，放出数百囚徒，发放兵器，宣称奉密旨除桓温。卞耽逃往曲阿（今江苏丹阳），征发诸县乡兵两千人，与庾希对抗。庾希战败，退守城池。桓温又命东海太守周少孙征讨。周少孙攻克京口，擒获庾希等人。最终，庾希、庾邈、武遵以及子侄、部众全被斩于建康。
拒不入朝
简文帝继位不久，便进封桓温为丞相，留其在京师辅政。桓温辞让不受，率军返回白石（今安徽当涂西），还镇姑孰。后来，简文帝又派侍中王坦之征召桓温，请其入朝辅政，并增食邑万户。桓温再次推辞。
咸安二年（372年）七月，简文帝病重，急召桓温回朝，并在一昼夜内连发四道诏书。桓温仍推辞不肯入朝。简文帝只得传下遗诏，让桓温摄政，效仿周公。但侍中王坦之却据理力争，将遗诏中的“摄政”改为“辅政”，依照诸葛亮、王导旧例。随即，简文帝驾崩。桓温原以为简文帝临死会禅位给自己，或让自己摄政，而今大失所望，怨愤不已。
简文帝驾崩后，群臣惧于桓温，不敢拥立太子，都认为应请桓温决定。尚书仆射王彪之极力反对，太子司马曜方才得以继位，是为晋孝武帝。褚太后认为孝武帝年幼，且正在居丧期间，再次提议让桓温摄政，结果被王彪之阻止。
病重而死
宁康元年（373年）二月，桓温带兵入朝，拜谒皇陵。当时，京中流言四起，都说他此次入京是要诛除王谢、颠覆晋朝。朝廷命谢安、王坦之率百官到新亭（今南京西）迎接，拜于道侧，朝中位望稍高者皆惊慌失措。但桓温却只以“卢悚入宫”一案，将尚书陆始收付廷尉。不久，桓温患病，返回姑孰，前后在京不过十四天。
桓温回到姑孰后，病渐沉重，但仍逼朝廷加其九锡之礼，并多次派人催促。谢安、王坦之见桓温病重，以袁宏所撰锡文不好为由命其修改，借此拖延。
桓温死后，将兵权交付弟弟桓冲，南郡公爵位则由幼子桓玄袭封。世子桓熙不服，遂与叔父桓秘、弟弟桓济谋杀桓冲，结果被桓冲发觉，都被流放长沙。元兴二年（403年）十一月，桓玄代晋称帝，建立桓楚，追尊桓温为宣武皇帝，庙号太祖，墓为永崇陵。
根据《隋书·经籍志》记载，桓温著有文集四十三卷，但在隋朝时只剩十一卷。而据《旧唐书·经籍志》、《新唐书·艺文志》记载，《桓温集》有二十卷。
清人严可均在编撰《全晋文》时，收录有其文十八篇，代表作有《檄胡文》、《上疏陈便宜七事》、《上疏废殷浩》、《请还都洛阳疏》、《上疏自陈》、《辞参朝政疏》。
西平巴蜀
东晋政权地处上江下游，若欲长治久安，必须依赖上游的巴蜀地区。只有上游可靠，下游才会安全。蜀灭于魏，孙吴遂难自保，“一片降幡出石头”，东晋不可不鉴。巴蜀地区战略地位重要，则消灭成汉政权也就势所必然。
永和二年（346年）十一月，桓温率军西征，并于次年（347年）三月攻克成都，逼降成汉末代皇帝李势，随即又平定李势旧部邓定、隗文的反叛。成汉政权割据蜀地四十四年，至此而亡。西征的胜利，不但使桓温威名日盛，也为日后的北伐行动提供了稳固的后方，增强了国力。
北伐中原
东晋立国江东，南方汉族政权及其统治下的汉族广大人民与北方少数民族统治者之间的民族矛盾，成为当时历史的主要矛盾。自王导提出“克复神州”的口号后，庾亮、庾翼、褚裒、殷浩都曾率军北伐，希望能收复故土。而桓温在掌控朝廷内外大权后，也开始了他的三次北伐，史称“桓温北伐”。
永和十年（354年），桓温北伐前秦，兵锋直指霸上，逼得前秦皇帝苻健退守长安内城。永和十二年（356年），桓温进兵河南，在伊水击败羌帅姚襄，收复旧都洛阳。但他太和四年（369年），桓温北伐前燕，一直打到枋头，距前燕国都邺城只有二百多里，还收复了淮水以北的广大地区，可惜最终以失败告终。
桓温三次北伐是王导“克复神州”口号的付诸实践，恢复了部分失地，打击了氐族、羌族、鲜卑族的统治者残暴统治，并以实际行动支持了北方各族人民的反压迫斗争，这些是符合当时中原人民愿望的。
疏陈七事
桓温在进行北伐的同时，深感朝廷“外难未弭，内弊交兴”，曾提出著名的《七项事宜疏》：
抑制朋党，杜绝因政见不同而相互倾轧；
合并、裁撤冗余的官职；
重视机要政务，对公文案卷的处理要限制时日；
明确长幼之礼，奖励忠实、公正的官吏；
褒奖惩罚，应与事实相符；
继承、遵守古制，弘扬学业；
选派史官，编修晋书。
推行土断
东晋朝廷渡江以来，对北来流民采取优待政策，并设置大量的侨州郡县（侨州、侨郡、侨县）予以安置，称为侨人。侨人的户籍称为白籍，不算正式户籍，也不负担国家的赋役。世族地主利用特权，荫庇大量流民，侵占良田，逃避赋役。自咸和年间起，东晋政府开始实行土断，撤销侨置郡县与侨籍，通过清查户口让侨民入当地户籍，同时担负课税与徭役，以稳定国家税收。
兴宁二年（364年）三月初一（庚戌日），桓温受命主持土断，史称“庚戌土断”。他不断土断侨居人户，对世族贵戚隐占人口也进行纠查，对隐匿户口的予以惩处。彭城王司马玄因违禁藏匿流民五户，被下廷尉问罪。仅会稽郡便“亡户归口三万余口”。这次土断卓有成效，使侨户上籍纳租，限制了士族特权，增加了政府租税调役的来源，还大大提高了东晋的经济与军事实力，为太和四年的伐燕之战，以及后来的淝水之战的胜利奠定了基础。
提拔人才
东晋是典型的门阀政治，世族门阀完全垄断中央政权。九品中正制成为门阀贵族仕进、升迁和垄断政治的工具，进一步确立了“举贤不出世族，用法不及权贵”的政治准则，导致了“贵仕素资，皆由门庆，平流进取，坐至公卿”的现象。高门士族世代担任高官美职，寒门地主则无进升之阶。但桓温却能够招纳士人、任贤使能，他主要：
寻访隐逸之士：两晋时期，很多志士仁人修身自保，“藏声江海之上，卷迹嚣氛之表”。仅据《晋书·隐逸列传》记载，桓温便曾先后推荐、拜访孟陋、谯秀、瞿硎先生。
辟举寒门士人：车胤的父亲只是一名郡主簿，但因学习刻苦，能辨识义理，得到桓温所重，被辟为从事。
敬重高门士族中贤达而有才干的人：谢安是晋代名相，出身谢氏高门，早年隐居不出，桓温数次征召，终于将他请出，加以重用。此外，袁宏、顾恺之等人皆是高门出身，都曾得到桓温的器重。
对新征服地区，从“行阵”、“亡虏”之内提拔贤良：桓温平蜀后将成汉旧臣王誓、王瑜、邓定、常璩等人辟为参军。
桓温生活简朴，富有军政之才，很熟悉兵法，也善于用兵，但并不是一个出色的军事家。其战绩是负多胜少，而且多数是先胜后败。桓温一生主要有四次征战，即一次西征和三次北伐。西征之役胜之侥幸；第二次北伐虽胜，但规模不大；第一、三次北伐则都是惨败而归。这有主客观二方面的原因。
从主观上来说，桓温北伐不是真正想收复中原，而是志在立威，企图通过北伐，树立个人威信，伺机取晋室而代之。因此，他在作战中务求持重，在大好形势下常常观望不进，贻误战机。桓温确实很熟悉兵法，也善于用兵，但还不是一个出类拨萃的军事家。用兵贵在多谋善断，相机而动。桓温于此却略逊一筹。他多次在大好形势下观望不进，虽与他志在立威，无意真正北伐有关，但也反映出他用兵不善于捕捉战机，缺乏灵活性。
从客观上来说，东晋君臣无意恢复失地，志在割江自保，又桓温权势日增，朝廷对其深怀戒心，因此其北伐得不到真正的支持。当桓温大军进展顺利之时，申胤就曾预料说：“以温今日声势，似能有为，然在吾观之，必无成功。何则？晋室衰微，温专制其国，晋之朝臣未必皆与之同心。故温之得志，众所不愿也，必将乖阻以败其事”。这是正确的分析。
