汉成帝刘骜，字太孙，甘露三年（公元前51年）生于长安。出生时，祖父宣帝在位，父亲刘奭为皇太子，母亲王政君为太子妃。由于是太子长子，宣帝对他特别喜爱，不仅时常把玩于膝下，还亲自命名取字。刘骜3岁时宣帝去世，父亲继位为元帝，他被立为皇太子，母亲王妃先被立为婕妤，3日后又立为皇后，外祖父王禁被封为阳平侯。竟宁元年（公元前33年）继位，在位27年。
由于深得祖父汉宣帝的喜爱，刘骜的太子地位一直比较稳固，元帝还曾特命驸马都尉、侍中史丹专门照护太子。但是到元帝晚年却产生了危机。原因一是刘骜长大后生活过于安逸，“幸酒，乐燕乐”，元帝认为作为皇储不该如此享乐；二是元帝对他的另一个儿子定陶王刘康有偏爱。成帝有两个异母兄弟，一个是少弟中山王刘兴，冯昭仪所生，另一个就是刘康。刘康是当时元帝的宠妃傅昭仪的儿子，“多才艺”，所以元帝对他特别喜欢，出则同辇，坐则侧席，多次想改立他为太子。到竟宁元年（公元前33年），元帝病重，傅昭仪、定陶王勤于侍问，太子很少进见，元帝竟“数问尚书以景帝时立胶东王（即汉武帝）故事”，准备仿效景帝废长立幼，改立定陶王为太子。皇后、成帝及其大舅卫尉侍中王凤等人极为忧虑，却不知如何是好。最后幸亏是史丹直接到元帝的病榻前为太子陈情，加之元帝考虑宣帝甚爱太孙，这才保住了成帝的太子地位，以后再没有出现波折。不久，元帝去世，成帝继承皇位，时年19岁。成帝继位的第二年，改年号为“建始”，5年后又改元“河平”，以后每4年改元年号，先后是“阳朔”、“鸿嘉”、“永始”、“元延”、“绥和”。至绥和二年（公元前7年）去世，共在位27年。
成帝性格温和内向，谨小慎微，谦恭有余，豪爽不足。有一次元帝要召他急见，如果争取时间，他可以横穿皇帝独行的“驰道”，很快来到皇宫，但他却谨慎地绕道而行，很晚才到。成帝这种“宽博谨慎”的性格，对他以后的统治曾产生很大影响。他继位后曾试图加强皇权，却终未能削弱外戚的势力，与此不无关系。
和其父、祖一样，在“独尊儒术”的风尚下，刘骜自小开始读经。到青少年时代，他对儒经更加推崇，特别是《诗》，已相当精通。也许正是因为如此，成帝时期科技、文化有着长足的发展。其间，出现了总结北方特别是关中地区农业生产技术的著名农书《泛胜之书》。河平元年（公元前28年），有了世界公认的最早的太阳黑子的记载。此外，还留下了我国古代最详细的哈雷彗星观察记载。
在文化上，成帝时进行了一次大规模的图书收集、整理工作。我国古代的文化典籍原来相当丰富，秦代由于“焚书坑儒”和楚烧咸阳，很多都已被烧毁或散佚。汉初废“挟书律”，民间出现了大量书籍。为此，汉武帝曾制定藏书之策，置写书之官，收集各类图书，存于秘府，但仍有很多散佚。成帝时，他下诏进行了一次我国最早的大规模的图书收集整理工作。这项工作由当时的著名学者光禄大夫刘向具体负责。但刘向未竟而逝，后到哀帝时由其子刘歆继续完成，编成了一部我国最早的图书分类目录《七略》。
汉成帝纵情声色，奢糜无度，生活相当腐朽。早在为太子时，成帝就“湛于酒色”。继位后，更有很多荒唐之事。他在位的后期曾好为微行，经常带侍从10余人，便服出入市里。还曾置私田于民间，蓄私奴车马于北宫。以至许多大臣都为此感到痛心和失望。谷永等人曾数次进谏，但成帝一意孤行，根本不听。
成帝共立了两个皇后：一个是许皇后，一个是赵皇后。许皇后系元帝时大司马车骑将军、平恩侯许嘉之女。成帝为太子时，即由元帝选配成婚。许妃曾生有一男，后来夭折。成帝即位不久，许氏立为皇后，生一女，又夭折。这位许后其人聪慧，善史书，长期为成帝所专宠。为使成帝早日能有继嗣，王太后及王氏诸舅对她这种专宠越来越表示不满，借机贬抑，使其渐渐失宠。到鸿嘉三年（公元前18年），皇后的姐姐许谒为媚道，诅咒后宫怀孕的王美人及帝舅王凤，事发觉，许皇后受牵连被废处昭台宫，在位共15年。
许皇后被废后，赵皇后继位。赵皇后号“飞燕”，本长安宫人，后为阳阿公主家舞女，因身轻善舞，故号为“飞燕”。成帝微行，至阳阿公主家，被她婀娜多姿的舞技所吸引，便召入宫中。以后听说其妹貌美，又召其妹入宫，二人均封为婕妤，贵倾后宫。这时许皇后已失宠，为了登上皇后宝座，赵氏姊妹参与了对许皇后的陷害。许皇后被废，飞燕立为皇后，其妹被立为昭仪。赵皇后姐妹以后10年间始终受宠于成帝，但也始终没有生子。为维护其专宠，她们对后宫有子的嫔妃极力摧残，以至“生子者辄杀，堕胎者无数”。成帝死后，赵皇后被尊称为皇太后。尽管当时大臣都要求废黜赵氏，但由于赵皇后曾力主策立哀帝为太子，于哀帝有私恩，因而只是迫令其妹赵昭仪自杀，哀帝仍然尊她为皇太后。一直到哀帝去世，王莽执政时，以太皇太后的名义废赵皇后为庶人，赵氏才被迫自杀。
汉成帝在位期间，政绩平平。其足以称道的政绩是减轻赋钱、禁奢侈和强化皇权。前者是在建始二年（公元前31年）实施。这一年成帝始定长安南北郊，为求吉庆，下诏减天下赋钱，人算40。汉代算赋按制度是人算120，现减算40，数目虽有限，但对负担沉重的广大农民仍不啻是一福音。禁奢侈在永始四年（公元前13年）。这时，统治者已日趋腐朽，声色狗马，争为奢侈。例如外戚王氏五侯，史载“五侯群第，争为奢侈，赂送珍宝者，四面而至；后庭姬妾，各数十人，僮奴以千百数，列钟磬，舞郑女，作倡优，狗马驰逐；大修屋室，起土山渐台，洞门高廊阁道，连绵不断。”为了汉家王朝的长远利益，成帝在这一年下诏禁止奢侈。这在当时虽然没有多大的效用，但也有一定意义。
至于成帝的强化皇权，主要是设置尚书和三公。尚书的设置是在建始四年（公元前28年）。这一年，成帝初置尚书5人，1人为长官，称“尚书仆射”；4人分为四曹：常侍曹，掌管公卿事务；两千石曹，掌管郡国两千石官员事务；民曹，掌管吏民上书事务；客曹，掌管少数民族及国外往来事务。尚书的职权范围很广，实际是皇帝的秘书机构。它的设置表明皇帝加强了对朝廷事务的控制。三公制度的实施是在绥和元年（公元前8年）。这一年，成帝下诏罢将军官，以大司马骠骑将军为大司马，御史大夫为大司空，封列侯，俸如丞相，标志着三公制的开始实行。因为大司马、大司空的职权和地位都和丞相一样，所以和丞相一起合称为“三公”。三公制的设置是当时皇权加强、与相权矛盾进一步发展的产物。表面上看，成帝置三公不过是改一丞相为三丞相，但实际上，丞相职权一分为三，三公互不统辖，这必然会加强皇帝的专制独裁。
不过，成帝的性格决定了他的强化皇权不过是制度，实际上成效不大。成帝继位后，即尊封母后为皇太后，以大舅阳平侯王凤为大司马大将军领尚书事，握朝中实权。成帝生性懦弱，加之王凤又是其大舅，他在朝政上对王凤就更加谦让。有一次，成帝想任才子刘歆为中常侍，没有告诉王凤，王凤知道后不同意，成帝也只好不了了之。当时的朝政基本是操纵在外戚王氏的手里。他们专横跋扈，结党营私，把整个国家搞得一片混乱。所谓“公卿见（王）凤，侧目而视，郡国守相刺史皆出其门”。
成帝在位27年，外戚王氏始终把持着朝中大权。出于对汉家王朝的忠心和对王氏专权的不满，以及对个人出路的焦虑，不少地主阶级的有识之士都曾大声疾呼，应罢免王氏。京兆尹王章在朝中以刚直著称，当时王凤擅权，“政事大小皆自凤出”，他就借言日食奏封事，提出不可以让王凤长久掌权，应把他罢免，选忠贤代替。理由有三条：一是日食象征“臣专君”，这本来是指王凤的专权，王凤却把它推到定陶王刘康身上，硬逼着刘康就藩；二是原丞相王商系先帝外家，为人守正，因不肯附合王凤，便遭陷害，朝中官员和百姓们都为他感到冤枉；三是王凤知道自己妾妹张美人已经嫁人，按礼不该再送入后宫，却借口其生育能力强，献给皇上，为自家谋私。成帝本来就对王凤逼定陶王就国、罢免王商很不满意，看了王章的上书，决定要罢免王凤。但消息却被走漏，王凤知道后，先发制人，称病上疏以辞职要挟，其妹王太后也流泪、绝食向成帝施加压力。结果王凤不但没有被罢免，王章反而因此获罪，逮捕下狱，死在狱中，其妻子儿女被徙于合浦（今广乐合浦东北）。西汉的宗室、楚王刘交之后刘向也多次向成帝进谏要求罢免王氏，成帝虽然认为刘向讲得很对，但最终也没有夺王氏大权。
成帝所以把大权始终交给王氏，自有他的考虑。他深知士人并不可靠，因为士人执政大多会结党营私；宦官也靠不住，他们执政更是结党专权，为所欲为。在成帝看来，最可靠的还是外戚。因为他能登上皇帝宝座，外戚出过很大的力。当然，他对外戚也不是一点顾虑没有。汉初诸吕叛乱他是深知的，朝中大臣不断上书反对王氏他也非常清楚，所以他也曾怀疑王氏。但在各种压力和为王氏辩解的言论影响下，加之他生性柔懦，对母舅这种血缘关系还抱有幻想，经过反复犹豫，最终还是打消了对王氏的怀疑。所以，终成帝一朝，尽管反对王氏专权的呼声此起彼伏，但由于成帝的支持，王氏始终掌握着朝中大权。以至于到了王莽，终于另立王朝，取刘氏而代之。
成帝一直无子，在位晚期身体多病，意识到不会再有儿子，便在元延四年（公元前9年）下令朝中议以藩王为太子。当时的人选一个是他的少弟中山王刘兴，一个是侄子定陶王刘欣（刘康之子）。御史大夫孔光根据《尚书》殷代王位继承是兄终弟及，认为中山王系元帝之子，可为太子；而外家王氏和赵皇后则认为汉家制度是父子相继，定陶王系成帝之侄，宜为太子。最后成帝裁决：兄弟不相入庙，且中山王不才，而定陶王多才，立定陶王为太子。第二年，即绥和元年，使执金吾任宏守大鸿胪，持节征定陶王，立为皇太子，以光禄勋师丹为太傅。成帝在立太子的第二年去世，太子继位，即哀帝。
绥和二年（公元前7年）三月，成帝在长安宫中突然病故，时年46岁。死后葬延陵，谥号“孝成皇帝”。王莽执政时，尊庙号为“统宗”。