桓温曾在晚年逼迫朝廷加其九锡，但因谢安等人借故拖延，直至去世也未能实现。死后谥号宣武。其子桓玄建立桓楚后，追尊为“宣武皇帝”。
根据《晋书》记载，桓温是东汉大儒桓荣之后。
但据田余庆先生考证，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。
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。
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。
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。
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。
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。