家世出身
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。桓温是桓彝长子，未满周岁时便得到名士温峤的赞赏，因此以“温”为名。
早期事迹
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）。后加辅国将军。
出镇荆州
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。同年八月，桓温升任安西将军、荆州刺史，持节都督荆司雍益梁宁六州诸军事，并领护南蛮校尉，掌握了长江上游的兵权。
掌握朝政
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。朝廷得知后，忧虑不已，认为他兵力过少，又深入险要偏远的蜀地，担心他最终会兵败而回。唯有刘惔认为桓温必能灭蜀。
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。李势乘夜逃走，远遁九十里，最终决定投降。桓温接受投降，将李势送往建康。成汉政权至此灭亡。
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）。
永和四年（348年），朝廷封赏平蜀之功，欲封桓温为豫章郡公，却被尚书左丞荀蕤劝止。最终，桓温被封为征西大将军、开府仪同三司、临贺郡公。
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。
三次北伐
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。
桓温北伐期间，隐居关中的王猛曾前来拜见，并大谈当世之事，旁若无人，深得桓温的赏识。桓温撤退时邀请王猛一同南下，并任命他为高官督护。但王猛却不肯跟随，留在了北方。
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。
桓温返回荆州后，先后命部将剿平蛮贼文卢、妖贼李弘，将首级传送建康（今江苏南京）。但与此同时，收复的司隶、豫州、青州、兖州等地再次失陷。升平四年（360年），朝廷封桓温为南郡公，并将其原有爵位临贺郡公降为县公，封授给其次子桓济。
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。
太和三年（368年），桓温获加殊礼，位在诸侯王之上。遂驻军赭圻，上表辞去录尚书事一职，只肯遥领扬州牧。
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。
晚年弄权
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。
桓温诛除庾氏，威势极盛。侍中谢安见而遥拜，更以君臣称作二人关系。而简文帝虽被立为皇帝，但却形同傀儡，常担心被桓温废黜，甚至向郗超询问桓温是否会再行废立。郗超以家族百口担保不会再发生政变，简文帝这才稍微安心。
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。后来，孝武帝又命谢安征桓温入朝辅政，并加其前部羽葆鼓吹，赐武贲六十人。桓温仍旧辞让，既不接受，也不入朝。
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。同年七月，桓温姑孰病逝，终年六十二，至此锡文仍未完成。朝廷追赠桓温为丞相，谥号宣武，丧礼依照安平献王司马孚、霍光旧例，又赐九旒鸾辂、黄屋左纛等物。
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。
