元帝由宣帝、许后在微渺时所生，柔仁好儒，宣帝欲另立太子，然始终不忍，选乐陵侯史高、太子太傅箫望之、太子少傅周堪辅佐元帝。

元帝的政令及祭天，与宣帝几无二致，但宠信宦官石显，以为宦官没有家室，不会争权夺利。元帝重用箫望之与周堪，“数宴见，言治乱，陈王事”，委重任。箫望之等上奏削宦官、外戚[史、许两家]的权力，元帝新即位，不便大动。石显闻知，串通史高及许家，奋力反击，经过一番明争暗斗，箫望之败，自杀。元帝闻之大哭，诘责石显太过。元帝多病，深居简出，命石显代为闻奏，显乘机党同伐异，任人唯亲。石显知元帝好儒，倒也举荐儒生，只要这些人阿附于他。这样一来，治国、直言之才，不见得被录用了。

元帝时灾害频发。大水、大旱、地震连年不断，致使国力下降。

郅支单于遣使求还质子驹于利受，元帝准，命卫司马谷吉送往，驹于利受到坚昆，郅支杀谷吉，与康居国合兵入侵乌孙国。匈奴占乌孙国土地，南迁至都赖水(哈萨克斯坦塔拉斯河)畔建都，要求大宛诸国上贡。

汉朝两年后方知谷吉被杀，索要尸骸，郅支不与，扣汉史，佯求驻守乌垒城的西域都护甘延寿、陈汤，宽限几日，再遣子入侍，其实是缓兵之计。甘延寿、陈汤知道有诈，先发制人，将数万人马兵分两路往袭匈奴，一路从南边越过葱岭(帕米尔高原)，由大宛进入康居，另一路北上乌孙国再入康居。两军在阗池[吉尔吉斯伊塞克湖]西面会和，正赶上康居副王抱阗，劫得乌孙国首都赤谷城[吉尔吉斯伊什提克]的人畜，满载而归，汉军迎头痛击，夺回人口，交还乌孙，牲畜留作军食。汉军继续西行入康居境内，屠墨部众降汉，作为向导，引大军至匈奴都城下。

郅支出百余游骑，被汉军射退。汉军进攻，匈奴都城有双重墙，外围是木墙，內围是土墙。匈奴在木墙内向外放箭，阻止汉军进攻，汉军放火烧木墙，匈奴数百骑冲出，试图阻止汉军纵火，全被射死。“汉兵前拥刀盾，后持弩戟”，攻入木墙，杀尽胡兵，再攻土墙。匈奴死守土墙，“连宫人亦驱登城楼，(郅支)自己全身披挂，上城指挥。大小阏氏[宫妃]，约数十人，有几个颇能射箭，也弯着强弓，俯射汉兵。汉兵用秾[密集的盾]为蔽，觑着空隙，还射上去，弓弦迭响，射倒大小阏氏数人。有一箭不偏不倚，正中郅支鼻上，郅支忍痛不住，退入城中。宫人越觉胆怯，自然随下”。

汉军正欲架梯入城，康居万余援军杀到，汉军退守营寨。是夜，汉军遣一路人马绕至康居兵后。康居兵夜间攻营数次，均被汉军击退。天明，康居兵已疲惫，不料汉军杀出，康居兵退却，突然后面又有汉军杀入，腹背受敌，康居兵被杀得只剩两千人逃走。

汉军复围匈奴都城，四面架起云梯，攻入城中，郅支偕百余男女逃入宫中，继续顽抗，汉军纵火焚宫，郅支只好奋力杀出，被斩。汉军入宫，“杀毙阏氏太子名王以下千五百人，生擒番目百四十五人，收降胡兵千余人，搜得汉使节二柄，并前时谷吉所赍诏书。此外金帛牲畜等件，悉数搬取，由甘延寿、陈汤两主将，酌量分给，除赏赐部众，遍及各国随征兵士，全体腾欢”。

附汉的呼韩邪单于入朝，请奏和亲。元帝准，取来宫女画像，御笔随意点一宫女，充作公主，命有司代办嫁妆，择吉日，送交呼韩邪馆邸，赐与完婚。“待至吉期已届，那宫女装束停当，至御座前辞行。元帝不瞧犹可，瞧了一眼，竟是一个芳容绝代的丽姝，云鬟低翠，粉颊绯红，体态身材，无不合度”。此女就是王昭君。呼韩邪得此佳偶，大喜而返。元帝追悔莫及，再看画像，十分中仅得二分，“嗣又把已经召幸的宫人，比较一番，觉得画工精美，比本人要胜过几分”，不由大怒，命人查出画匠。原来画匠向昭君家人索贿未果，故意损毁丽容，被斩。

元帝驾崩，享年四十二岁，在位十六年。

史高《汉书》对元帝评价：上牵制文义[此处指儒家]，优游不断[优柔寡断]，孝宣之业衰焉。然宽弘尽下，出于恭俭，号令温雅，有古之风烈。