刘奭生于公元前75年,是汉宣帝刘询与嫡妻许平君在民间所生的儿子。他出生几个月后,父亲刘询便被拥立登基做了皇帝。三年后,母亲许皇后在生下公主后即被霍光之妻霍显设计毒死。公元前67年四月,刘奭被立为太子。
刘奭温文尔雅,出入恭俭,多才多艺,善史书,喜欢鼓琴吹箫,柔仁好儒。为太子时,他以汉宣帝“持刑太深”曾劝父亲重用儒生,遭到汉宣帝的疏远,宣帝甚至预言“乱我家者,太子也”,但顾念他是发妻许平君的儿子而没有褫夺他的太子之位。
公元前49年农历十月,汉宣帝逝世。刘奭以储君的身份登上皇位。
刘奭继位后,次年改元初元。号令已出,便不理会汉宣帝原来的那一套,而是“征用儒生,委之以政”,重用贡禹、韦玄成、匡衡等名儒为丞相,这些儒生不达事宜,喜欢颂古非今,且优柔寡断,不知所守。在元帝统治期间,为缓和关东豪强与西汉朝廷的紧张关系,汉元帝甚至大胆地放弃了汉朝初期以来迁徙关东豪强以充实关中帝陵的制度,使得中央集权受到削弱。社会危机日益加深,豪强大地主兼并土地之风日益盛行,统治阶级日趋腐朽没落。农民生活困苦,不得不起为“盗贼”。初元元年,汉在车师地区(今新疆)设立戊己校尉,管理屯田和防务。公元前36年,汉将甘延寿、陈汤诛郅支单于于康居。至此,唯一反汉的匈奴单于被消灭。汉打通西域道路,促进了中原与西域的经济、文化交流。汉元帝为结束百余年来汉同匈奴之间的战争局面,汉元帝又以宫女王嫱(王昭君)嫁与匈奴呼韩邪单于。
此时的汉朝比较强盛,人口数达到中国封建社会前期的顶峰,但也是衰落的起点。刘奭在位期间,豪强大地主兼并之风盛行,中央集权逐渐削弱,社会危机日益加深,又由于汉元帝过于放纵外戚、宦官,这些最终在他去世几十年后导致西汉的灭亡。
公元前33年,43岁的汉元帝驾崩,谥号为“孝元皇帝”,庙号“高宗”。