桓温的父亲叫桓彝，是一个忠义的将领，曾经参与过平定王敦之乱。可惜在桓温十五岁的时候，桓彝就被叛军杀害了。桓温非常悲痛，发誓要报父仇。三年后，他假装去吊唁杀父仇人江播的儿子江彪，趁机刺杀了江彪，并追杀其弟弟。这样，桓温就完成了为父报仇的心愿。
长大后的恒温娶了司马睿（即晋元帝）的女儿南康公主为妻，成为了皇亲国戚。他也开始了自己的政治和军事生涯。他先后担任过琅琊太守、徐州刺史、荆州刺史等职务，掌管了南方的兵权。他最大的功绩是平定了西南的成汉政权。成汉是一个由李雄所建立的少数民族政权，占据了巴蜀地区。桓温率领一万精兵西进，历经艰险，终于攻入成都，俘虏了成汉皇帝李势。
他在当地口碑十分优良，百姓安居乐业。所以朝廷对他又敬重又忌惮，索性就让他去当个将军并授予了爵位。但是桓温并不满足于此，他还有一个更大的梦想：北伐中原。
其实北伐中原是东晋时期许多人的梦想。因为当时北方被十六国所分裂占据，其中最强大的是前秦政权。前秦政权由苻坚所建立，统一了黄河流域和关中地区，并且威胁着东晋的安全。桓温认为自己有能力收复北方失地，并且恢复汉唐盛世。所以他数次上表朝廷，请求北伐。
可是朝廷并不支持他的北伐计划。因为朝廷认为北伐太过危险和困难，并且担心桓温借机扩大自己的势力，最终篡夺皇位。所以朝廷一直拖延不答应。桓温很不满意，他决定自己出兵北伐，不顾朝廷的反对。
他一共发动了三次北伐，每次都是声势浩大，但是最终都是功败垂成。第一次北上，他攻入关中，兵临长安，但是因为粮草不足，被迫退军。但第二次北上，则收复了洛阳，但是还是因为朝廷不支持，被迫放弃。而第三次北上，他进攻前燕的京城薊（今北京），但是被慕容垂击败，损失惨重。这样，桓温的北伐梦想就彻底破灭了。
北伐虽然失败了，但是也给后人留下了许多故事和传说。比如说，他在关中遇到了王猛，一个隐居的名士。王猛扪虱而谈，对时事洞若观火，深得桓温的赏识。桓温邀请王猛随自己南下，但是王猛拒绝了。后来王猛成为了前秦的宰相，帮助苻坚统一了北方。
北伐失败后，他就开始密谋篡位。他想要取代东晋皇帝司马奕（即晋简文帝），成为新的帝王。但是他又不敢明目张胆地夺权，而是想要让司马奕主动禅让给他。他还想要修复汉唐旧都洛阳，并且迁都过去。可是朝廷和门阀世族都不愿意答应他的要求，并且阻止他的野心。
最后，在寧康元年（
373
年）七月十四日（公历
8
18
日），桓温在江陵病逝了。他死后谥号宣武公。二十九年后（
403
年），他的儿子桓玄篡位称帝，建立了桓楚政权，并且追尊桓温为太祖皇帝。