刘奭于宣帝在位时被立为太子，但因为他曾经向宣帝进言“持刑太深，宜用儒生”，而不被宣帝所喜爱。宣帝甚至预言“乱我家者，必太子也”，但顾念他是发妻许平君的儿子而没有褫夺他的太子之位。
宣帝病死后继位之第二年（前48年）改年号为“初元”，在位时期“崇尚儒术”，多次出兵击溃匈奴。建昭三年（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了。
汉匈百年大战于此告终。竟宁元年（前33年），匈奴呼韩邪单于入朝求亲。刘奭以宫女王嫱（王昭君）嫁之为妻。
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，最终导致西汉的灭亡。
竟宁元年（前33年），病死于长安未央宫，终年44岁。葬于渭陵（今陕西咸阳市东北12里处）。 　　死后庙号高宗（后被取消），谥号孝元皇帝。