垂拱元年（685年）八月，李隆基生于神都洛阳，是时任皇帝、唐睿宗李旦的第三子。虽然一出生就是皇子，但当时朝廷大权都由睿宗之母、皇太后武氏所掌握，因此睿宗不过傀儡而已，李隆基这个皇子，也更加无足轻重。
此后，李隆基曾受封楚王，并过继给早逝的伯父李弘为嗣子；天授元年（690年），皇太后称帝，睿宗被降封皇嗣，为了消除李唐皇室的影响力，年幼的李隆基随父亲李旦幽居深宫，数年间都不能和外界接触。
长寿二年（693年）冬，皇孙李隆基被降封临淄王。第二年正月，李隆基之母窦氏因为受人诬告为“厌蛊咒诅皇帝”，被武曌命人秘密地杀死，连安葬在哪里都不知道。之后，其父李旦也被诬告“异谋”，武曌让酷吏审讯，几乎至李旦于死地，幸好太常寺乐工安金藏为了保护皇嗣，不惜剖腹“以证皇嗣不反”，李旦一家才躲过了这场莫名的灾祸。
圣历二年（699年），十四岁的李隆基与诸兄弟再次出阁读书。此时其祖母武曌已经年迈，经过一番考虑后，放弃立侄子武承嗣为皇太子之的念头，将李隆基的伯父、前太子李显接回神都，重立为皇太子，皇嗣李旦则改封为相王。
此后数年，李隆基以临淄王的身份，先后出任亲卫府右卫郎将、尚辇奉御。神龙元年（705年），宰相张柬之等朝臣发动了“神龙政变”，杀死了乱政的武曌男宠张易之、张昌宗兄弟，迫使武曌禅位于皇太子李显，中宗因此得以复位。李隆基虽然没有参与这场政变，但全程目睹了整个过程，亲人们之间的权力争斗，也深深映入他的脑中。
中宗复位后，因为长期被母亲所压制，因此性格懦弱、遇事退缩，治国无能，朝政大权逐渐被皇后韦氏和中宗幼女安乐公主所控制。韦皇后想要效法婆母则天皇帝、独揽大权（甚至称帝），安乐公主也想要得到“皇太女”的名号，于是大力打击反对她们擅权的朝臣，当初发动政变、恢复大唐的功臣们大多被韦皇后怂恿中宗贬官驱逐，就连皇太子李重俊被也被安乐公主逼迫起兵反抗，失败后被杀。
此时，李隆基已经于景龙二年（708年）出外任官，领潞州别驾。在看到朝中的乱局后，二十四、五岁的李隆基不甘心祖宗的基业一再被外人所篡夺，于是开始暗中准备、招揽亲信，预备当社稷发生危难时，立即举事平息动乱。
景龙四年（710年），李隆基从潞州（今山西长治）回到了京师长安。此时韦皇后的谋夺大权行动已愈发明显。为了提前准备，李隆基偷偷在皇帝的亲军“万骑”中联络反对韦氏集团的勇士，发展自己的势力，以应对即将到来的变局。
景龙四年（710年）六月，中宗突然驾崩，传言是死于韦皇后和女儿安乐公主之手。韦皇后迫不及待，在立中宗幼子温王李重茂为皇帝后，更想要继婆母武曌之后，当第二个女皇帝，并准备铲除对自己有威胁的相王李旦、太平公主。
但韦皇后还来不及动手，李隆基就抢先和姑姑太平公主联手，与太平公主的儿子卫尉卿薛崇简，苑总监钟绍京、尚衣奉御王崇晔、前任朝邑尉刘幽求、禁军将领陈玄礼、葛福顺、李仙凫等人发动了政变，于唐隆元年（即景龙四年、710年）六月二十率军冲入皇宫，诛杀了韦皇后、安乐公主，以及韦氏集团诸多党羽，灭韦氏全族。这即是“唐隆政变”。
在举兵之前，有人请求李隆基将发动政变之事告诉相王，李隆基则回答说自己是为了拯救社稷，救君父之危，成功了是宗庙和社稷的福祉，假如不幸失败，自己也是忠孝而死。怎么能够连累父亲，让他担心、并且牵扯进来呢？因此，李隆基决定瞒着父亲，单独行动。
直到政变成功、韦皇后和安乐公主都被诛杀后，李隆基才在六月二十一出宫，拜见父亲相王李旦，向父亲叩头谢罪，述说自己事前隐瞒实情、发动起兵的经过。相王惊喜交加，流泪搀扶起李隆基说：“大唐宗庙社稷得以保全，都是你的功劳，哪里有什么过错！”
随即，李隆基率军迎相王李旦入宫，“辅佐”少帝李重茂。三天后，在李隆基和姑母太平公主的策划下，相王受侄子李重茂禅位，登基称帝，唐睿宗也第二次登上了皇位。
睿宗登基后，先是封李隆基为平王，后又在嫡长子李成器的力辞下，将储君之位改授李隆基，册立其为皇太子。但这样一来，让同样有巨大权力欲的太平公主产生了危机感，认为皇太子将要危及自己的权势地位，于是原本的合作者变成了敌手。
太平公主自恃拥立睿宗登基有功，于是经常学着母亲武曌当年的样子，不断干预睿宗的执政、插手朝政。而皇太子精明强悍、才能出众，经常为了控制权力而妨碍自己参政，所以太平公主想影响睿宗、改易太子。皇太子自然不愿轻易低头、任人摆布，也想清除掉太平公主在朝中的影响力。姑侄二人的矛盾，越来越明显。
对妹妹和儿子之间的矛盾斗争，睿宗深到不安，天性恬淡的他为了维护社稷稳定、李唐皇室不至于再次内讧，于是先命皇太子监国，后又在景云三年（712年），不顾太平公主的反对，把帝位禅让给了皇太子李隆基，改元先天，李隆基即唐玄宗。
但睿宗的主动让位，并没有平息玄宗和太平公主之间的矛盾，反而更加激发了双方的敌意。皇帝和姑母都在暗暗积蓄力量，准备一举除掉对方。
先天二年（713年），太平公主和党羽宰相窦怀贞、岑羲、萧至忠、崔湜、左羽林大将军常元楷、知右羽林将军事李慈等人合谋，准备武力推翻皇帝玄宗，同时计划在玄宗饮食中下毒。玄宗得知消息后，与心腹王琚、张说、崔日用讨论，决定先发制人，诛杀太平公主一党。
于是，玄宗于先天二年（713年）七月，召集弟弟岐王李范、薛王李业，及禁军统帅郭元振、龙武将军王毛仲、殿中少监姜皎、太仆少卿李令问、尚乘奉御王守一、内给事高力士、果毅李守德，发动平乱行动，趁太平公主集团不备，突然出兵诛杀了左、右羽林大将军常元楷、李慈，宰相岑羲、萧至忠、窦怀贞也被诛杀、或者自裁，长安城中的太平公主党羽顷刻间被全部消灭。
眼见党羽被诛杀殆尽，太平公主惊慌失措之下，不得不逃离府邸，躲入佛寺中避难，三天后才无奈返回，并向已经退位的太上皇哭求庇护。太上皇亲自出面向玄宗求情，请赦免太平公主死罪，但被玄宗拒绝。太平公主绝望之下，被赐于家中；这就是“先天政变”。平息乱局后，玄宗把年号改为“开元”，决心励精图治、重现大唐盛世。
玄宗彻底掌握皇权后，立即选用贤能、提倡文教、改定官制、整顿吏治，大力发展农事，减轻民间负担，使得武曌晚年以来混乱、衰败的朝政迅速得到改善，国力也大大恢复。
早年的玄宗有胆量、有魄力，精通治国方略，知人善任且善于发现人才，所提拔的宰相大多是通晓治国，尽心竭力操劳国事的名臣、能臣。依靠这些贤臣，和玄宗本人的勤政，大唐文化、经济、军事各方面都得到了极大的提高，政局十分稳定。君臣一心、上下同力的良好氛围，让早年的玄宗完成了开创“开元盛世”的伟大成就。
但在盛世蓬勃发展之下，危机也在缓慢萌芽。由于经济的过快发展，导致土地兼并激烈，农户不断逃亡，朝廷稳定的基础——均田制、府兵制、租庸调制都面临崩溃结局。而玄宗大力提倡的“节度使”制，使得边境武将统辖的军事力量越来越强，而中枢的军备废弛衰落，结果就是内轻外重，强枝弱干，手握兵权的武将开始有了自立、反叛之心，国家也将因此遭受巨大的灾难。
晚年的玄宗沉溺陶醉于自己之前的巨大成就中，逐渐没有了年轻时的励精图治、虚心从谏精神，也失去了当初的节俭、谦省习惯。
从开元二十五年（737年），因听信谗言，将三个儿子——皇太子李瑛、鄂王李瑶、光王李琚废为庶人并赐死开始，玄宗逐渐变得昏聩庸碌、骄奢淫逸、挥霍贪婪，还不顾礼法，将儿媳寿王妃杨玉环纳入宫中，封为贵妃。天下的风气，也都随着玄宗的喜好而改变，大唐在表面的升平繁华下，潜在的危机和矛盾已经不断激化，祸乱近在眼前。
玄宗晚年先后宠信李林甫、杨国忠，二人把持朝政、打击异己，排挤忠直大臣，使得原本清明的朝政迅速腐败，朝纲紊乱，更加加剧了政事的败坏，“开元盛世”逐渐演变为“天宝中衰”。
天宝十四载（755年）十一月初九，早有反叛心思的范阳、平卢、河东节度使安禄山，趁着玄宗晚年的昏庸骄奢、不理政事，以及朝廷内部政治腐败、军力空虚之际，打着“忧国之危、讨伐奸臣”的旗号，在范阳起兵，然后率十五万边军南下，进攻洛阳、长安。
当时，因为陶醉于盛世，承平日久，军民久未经历战争，所以叛军一路长驱直入、连战连胜，河北、河南诸地的州县望风瓦解，当地官员或逃或降，几乎没有抵抗。
天宝十五载（756年）初，叛军占领了东都洛阳，随后又击败了防守潼关的唐军，生俘守将哥舒翰。当年六月，叛军大举进入关中，长安陷落。
在长安陷落前，玄宗于六月十三率皇太子李亨、后妃、百官、禁军六军仓惶逃离皇宫，出逃蜀中。在逃到马嵬坡（陕西兴平西）时，随行的将士们发生了哗变，杀宰相杨国忠，然后迫使玄宗赐死了杨贵妃（有传闻说，兵变是皇太子策划的）。
此后，心会意冷的玄宗失去了所有的雄心，和皇太子分道扬镳，一路西逃至蜀中成都。皇太子则率少数亲随、卫队，向北进发，抵达朔方军治所灵武。七月十二，在朔方军将领以及随侍亲卫们的拥立下，皇太子李亨在灵武南门城楼举行登基仪式，宣布继位，改天宝十五载为至德元载，李亨即唐肃宗。
肃宗自行称帝后，尊远在蜀中的玄宗为太上皇（上皇天帝），并派使者前往蜀中，向还不知道自己已经成为“太上皇”的玄宗奏报情况。而人心尽失、无兵无势的玄宗在成都得到皇太子已经自行称帝、并奉自己为“太上皇”的消息后，也只得无奈接受，从此退出了大唐权力舞台。
至德二载（757年）正月，叛军首领安禄山在内讧中被儿子安庆绪所杀，叛军内部发生混乱；九月，唐军收复长安，肃宗也从灵武返回，回到国都。十二月，在肃宗的一再请求下，玄宗离开成都，返回了阔别一年半之久的长安，以“太上皇”的身份居兴庆宫（南内），过上了退休生活。
起初，肃宗对太上皇的态度还算谦恭孝顺、日常供奉也很丰裕，玄宗最初几年的“太上皇”生活，还算轻松惬意，肃宗也时常亲自去探视太上皇，父子之间相处比较融洽。
乾元二年（758年）正月，河北叛军首领史思明再次发动叛乱，自称“大燕天王”，并南下攻克洛阳，长安的局势又紧张起来。肃宗生性多疑，在这局势不明的时候，为了防止有人借“太上皇”的名义生事，甚至太上皇本人会不甘寂寞、“交通外人”，重新夺回权力，肃宗授意心腹宦官李辅国，于上元元年（760年）七月，强行将太上皇从兴庆宫迁居到西内太极宫，安排住进甘露殿内，名就近为奉养，其实就是“看管、监视”起来。
而在迁居途中，李辅国胆大妄为、率五百骑兵气势汹汹地拦住太上皇去路，并且拔刀相向。玄宗惊惧之下，几乎落马，幸亏是玄宗的心腹高力士挺身而出，斥责李辅国、并亲自护卫，玄宗才这安全地迁居到甘露殿中。
此事过后，李辅国向肃宗请罪，肃宗没有怪罪李辅国对太上皇不敬，反倒安慰他“防微杜渐，以安社稷，何所惧也”。
而迁居太极宫后，玄宗仅剩的几个近臣、亲属，也都被贬斥出朝，其中高力士被流放巫州；陈玄礼勒令致仕；玄宗的妹妹、肃宗的姑母玉真公主出居玉真观。肃宗另外委派万安公主与咸宜公主（都是肃宗的妹妹、玄宗的女儿）带着重新挑选、和玄宗之前没有任何接触的一百多宫人，入住太极宫，侍侯、服侍太上皇的日常膳食、起居。太极宫的守卫，也都换成了老弱军士。
迁居太极宫后，太上皇玄宗又过了一年多茕茕独处、形影相吊的孤寂生活，心情抑郁寡欢、悲切凄凉。宝应元年（762年）四月初五，在留下了“今病既弥留，殆将不寤；常惧有悔，以羞先灵。”的遗诰后，太上皇李隆基怀着思念、悔恨、悲伤的心情，驾崩于西内太极宫神龙殿，年七十八岁；他也是大唐皇帝中，享寿最高者。
宝应元年（762年）四月十八，肃宗患病病重，张皇后欲趁皇帝得病不能理政的机会，发动政变，废黜与自己不和的皇太子李豫、改立越王李系，并诛杀肃宗心腹宦官李辅国、程元振，以掌握大权。
但谋事不密，李辅国、程元振提前得知消息，抢先出兵保护皇太子，并擒拿张皇后及越王李系，以及他们的党羽。当天晚上，李辅国、程元振杀越王李系、兖王李僴（肃宗之子），将张皇后囚禁在别殿。
宫中动乱发生时，肃宗已经病入膏肓，而得到皇后被囚、两子被杀的消息后，肃宗惊惧不已，病情由此加重，随即不治而亡（也就是吓死的），年五十二岁；肃宗驾崩时，距离太上皇去世，仅仅十三天。
动乱平息后，在李辅国、程元振的拥立下，皇太子李豫登基称帝，即唐代宗。代宗给祖父上庙号“玄宗”，上谥号“至道大圣大明孝皇帝”；给父亲上庙号“肃宗”，上谥号“文明武德大圣大宣孝皇帝”。广德元年（763年）三月，玄宗安葬于泰陵，肃宗安葬于建陵。
