汉明帝刘庄，幼名阳，是东汉光武帝刘秀的第四个儿子。生于建武四年（公元28年），建武十五年（公元39年）封东海公，建武十七年（公元41年）晋爵为王。建元十九年（公元43年）策命为太子，并改名庄。建武中元二年（公元57年）继位，为东汉第二代皇帝。不过，刘庄的太子身份及帝位却并非轻易得来。
汉明帝刘庄本是光武帝刘秀的四儿子，在其上有长子刘疆。刘庄由新野的阴丽华所生，后者则是定恭王的外孙女郭氏所生。在这两个女人之间，刘秀倾心的是阴丽华，然当这时阴丽华没有生育，郭氏却有了一个男孩。考虑到传宗接代的责任，建武二年（公元26年），刘秀立郭氏为皇后，立阴丽华为贵人。同年，刘疆被立为皇太子。
天下还未平定，刘秀率军征讨彭宠。阴丽华也随军远征。在行军途中，阴丽华怀孕了。在元氏，阴丽华生下一个男孩，这就是后来的明帝刘庄，当时起名叫刘阳。这一年，是建武四年（公元28年）。
刘阳因是阴丽华所生，所以很得刘秀的宠爱。少年时代，他从经学大师桓荣学习，10岁时，就能背诵和理解古典名著《春秋》。刘秀觉得儿子很了不起，简直是神童。而较早地在光武帝身边学习和观察政务活动，又增加了刘阳的才干。建武十五年（公元39年），刘秀下令检查天下的垦田和户口，并命令刺史、太守们逐一汇报。到汇报这一天，12岁的刘阳站在刘秀身后，观察上报官吏的神色。刘秀仔细检查着文书，翻着翻着，在陈留县的吏牍中发现了这样一句话：“颍川、弘农可问，河南、南阳不可问。”刘秀莫明其妙，问下面的官吏们，大家也说不出个所以然来。这时，站在刘秀身后的刘阳得到父亲的准允，站出来说：“河南是首都所在，中央高级官吏都住在这里；南阳是陛下的故乡，陛下的亲戚多居住于此。因此对这两个地方的田亩数字，负责检查的官员们不敢多问。”刘秀恍然大悟，惊叹12岁的孩子有如此锐利的眼光。于是有了以刘阳为帝位继承的打算。
这时，郭后由于失宠，亦增加了怨恨之情，时时讽刺阴丽华和刘秀，更促成了刘秀废长立幼的决心。但皇太子刘疆并没有什么过错，刘秀决心先废黜郭后再说。于是在建武十七年（公元41年），刘秀以“怀势怨怼，数违教令”的罪名，废黜了郭皇后，另立阴丽华为皇后。皇太子刘疆觉得母亲被废，大势已去，不得已上书刘秀，请求让位，出镇藩国。刘秀因为刘疆毕竟没有过错，不忍心批准，刘疆又拜托亲近大臣，为其表白诚心。刘秀觉得时机成熟了，于是在建武十九年（公元43年），下诏封刘疆为东海王，东海王刘阳为太子，改名为庄。这一年，刘庄16岁。建武中元二年（公元57年），刘秀逝世，刘庄正式即帝位，是为明帝，时年30岁。
刘氏汉家天下在西汉后几位皇帝的时候，大权旁落于外官手中，终于导致王莽专权“新”政。经过王莽改制和随之而来的社会动乱，国家的礼仪制度遭到破坏。所以光武帝刘秀去世以后，诸王及大臣们前来奔丧毫无法度，朝廷里一片乱哄哄。明帝的兄弟们在宫殿中与明帝并肩而坐，一点也不把这个新皇帝看在眼里。为了树立威信，明帝命令秉性刚直、举止威仪、执法如山的大尉赵熹主持丧事。赵熹不负重托，仗剑入朝，将与明帝坐在一起的诸王请下殿阶，加入到大臣的行列里，以辨明君臣之别。并且整顿宫卫制度，王国官吏不得随便出入宫禁。朝廷的秩序这才逐步安定下来。此外，明帝不论对身边的下级官员还是对三公九卿这些重臣，都监督很严，每有过错，就当面训斥。永平朝的吏治，为后世的史家所夸奖。
不过，对明帝以第四子的身份继承大统，他的众兄弟们很不服气。明帝的同母弟山阳王刘荆，伪造大鸿胪郭况（郭皇后的弟弟）的手笔，写信给东海王刘疆，劝其举兵以取天下。刘疆是胆小怕事之人，忙将送信的使节和信件原本押送到京城洛阳，交给明帝查办。明帝暗中侦知此信系山阳王刘荆所为。为免激起更大的骚动，明帝将刘荆一案秘而不发；对阴、郭二皇后，明帝同等礼敬；对前太子刘疆，明帝也关怀备至，其待遇高于一般的王侯。在人事上，明帝委任开国元勋高密侯邓禹为太傅，同母弟东平王刘苍为骠骑将军，光武朝太尉赵熹保留原职，使宗室、功臣、官僚集团都有了自己的政治代表，增加了政权的稳定力量。与此同时，明帝还发布诏令，赐天下民爵，安顿流民，减免刑罚，照顾鳏寡孤独，最大限度地缓和社会矛盾，巩固自己的统治。
明帝并非一味采取退让政策。一俟其统治巩固，他就开始严厉镇压反对派，强化自己的专制统治。永平十三年（公元70年）发生的楚王英狱，给诸侯王势力一次沉重打击。楚王刘英，是光武帝刘秀与许美人所生。因许美人无宠，所以刘英也受到冷淡，封在僻远之地，封地也很小。当时，佛教渐渐地传入中国，刘英在百般无聊中对佛教产生了兴趣，数次访求佛法，希望仗佛氏灵光，佑护己身。这一年，有一个叫燕广的人到朝廷上书，弹劾刘英与渔阳人王平、颜忠等借信奉佛教为名，造作图书，图谋不轨。明帝得到报告，马上命令宗正（管理皇族事务的中央官员）派员查证。派出去的官员不久汇报说，楚王刘英招集奸猾，捏造图谶，图谋篡位，罪证确凿。请求判处刘英死刑。明帝得到报告，宣布剥夺楚王刘英的王爵，迁往丹阳泾县。刘英行至丹阳，自杀身死。同案犯颜忠、王平在洛阳狱中由于受不住狱吏的严刑拷打，胡乱招供，牵连许多无辜。这些人中，有隧乡侯耿建、郎陵侯臧信、护泽侯邓悝、曲成侯刘建等。四人与颜忠、王平素昧平生，互不认识，但明帝这时已把往日对宗室诸王隐忍的仇恨倾注在楚王英狱身上，所以对颜忠、王平所招的人，不分罪证是否成立，一律穷治，下面的官员奉承上意，造成了众多的冤狱。后经侍御史寒朗的谏阻，使明帝顿然清醒，改弦更张，亲临洛阳监狱查核案情，释放无辜千余人，使朝野安定了下来。
汉明帝刘庄少小聪颖，处处精明。即位以后，他躬亲政务，事无巨细，都要过问。一日，明帝赐给西域使者10匹丝绸，负责登记的书郎误为百匹，并将记录转交给大司农入账。明帝索要记簿查看发现错处后，大怒，急召尚书郎重新进殿，要当场施以重罚，命令左右将其按下，自己手持大棒，狠狠揍去。尚书台的长官钟离意在宫外听说，急急进殿，叩首求情说：“过误乃小失，不足以施重刑。郎官是我的属下，陛下要处罚就处罚我好了，亦足惩戒百官。”明帝的怒气才渐渐平息下去。有一天，郎官药崧犯了微小的过失，明帝抄起木棒就要敲打，以示惩戒。在明帝的躬亲政务和严格督责之下，其时纲纪整肃、吏制谨严，诸政颇多绩效。
当时，黄河的河道南移，改从东宛（今山东境内）入海。由于没有堤防约束，下游常常泛滥成灾。为了恢复农业生产，永平十二年（公元69年），明帝命令著名的水利工程专家王景、王吴负责修治黄河。王景、王吴率领几十万民工和士兵，先用“堰流法”修成浚仪渠，并从荥阳至千乘海口千余里间修渠筑堤，从而使河、汴分流。黄河受新筑堤防的约束，水势足以冲刷沙土，通流入海。经过军民共同努力，终于制服了黄河水患。
在对付周边游牧民族的侵扰问题上，由于社会的安定和国力的恢复，明帝一改光武朝的守势，采取积极进攻的战略。永平八年（公元65年），北匈奴骑兵进攻河西诸郡，焚烧城邑，杀掠甚众，以至河西城门昼闭，人民受害不浅。永平十五年（公元72年），北匈奴又侵犯河西，而且胁迫西域小国随同入寇。面对北匈奴势力的猖狂侵扰，耿秉上奏说：“中国虚费，边陲不宁，其患专在匈奴！以战去战，圣王之道。”明帝有志于北伐，十分赞同耿秉的意见。是年，明帝派遣窦固和耿秉出屯凉州（东汉治陇县，今甘肃清水县北），作为经营北伐的准备。永平十六年（公元73年），明帝命令诸将率同南匈奴及乌桓、鲜卑等少数民族组成的骑兵部队，出塞北征，揭开了东汉政府同北匈奴战争的序幕。这次出征，窦固西出酒泉，在天山（今新疆吐鲁番城北）击败匈奴呼衍王部，追至蒲类海（今巴里坤湖），占据了伊吾卢城（今新疆哈密县）。
为了巩固军事活动的成果，窦固命令假司马班超和从事郭恂到西域诸国开展外交活动。班超和郭恂率领36人，先到鄯善，在鄯善国击杀匈奴派往该国离间的100多名使者，迫使鄯善王声明从今以后依附汉朝，永无二心，并且纳子为质。班超随着质子回到首都洛阳，明帝下诏提升他为军司马，命令其继续经营西域。从此以后，西域遂成中原统一帝国的一部分，得到长足的发展。
汉明帝崇尚儒学，他命令皇太子、诸侯王及大臣子弟、功臣子弟，都要读经。又为外戚樊氏、郭氏、阴氏、马氏诸子弟立学校于南宫，聘任高明的经师传道授业。明帝在“五经”之中，又独重孝经，倡导“以孝治天下”，甚至命令期门、羽林的守卫士兵都要背诵孝经。对礼仪制度，明帝也非常重视。他亲自与东平王刘苍讨论，制定了祭祀天地和祖先的仪式，按等级建立了一套天子、王侯、百官的车服制度。
明帝还十分提倡尊师重道。明帝为太子时，曾跟博士桓荣学过《尚书》，即位以后，仍尊桓荣以师礼。桓荣以少傅调任太常，明帝常常亲临太常府中，听桓荣讲课。桓荣的学生们请明帝讲解，明帝谦虚地笑着说：“老师在座，不必问我。”桓荣这时年已逾80岁，常常生病不起，明帝派太医去为其治病。桓荣寿终，明帝亲执弟子礼，作孝服为其举哀。明帝这样做当然是出于师生之谊，然而更重要的是其表率作用，目的是为了向社会倡导一种尊师重道的风气。
在汉明帝时期，佛教渐渐传入中土。明帝虽然因佞佛而镇压了刘英等人，但这不过是见机行事，实质上并不一意反对，而是采取兼收并蓄的方针。传说明帝有一次睡觉，梦见一高大的金人，头顶上放射白光，降临在宫殿的中央。他正要开口诘问，那金人又呼的一声腾空而起，一直向西方飞去。梦醒后，百思不得其解。第二天朝会时，明帝向群臣详述梦中所见，大多数人都不知其由。博士傅毅进言：“臣闻西方有神，传名为佛，佛有佛经，即有佛都。从前武帝元狩年间，骠骑将军霍去病出击匈奴，曾缴获休屠王供奉的金人12座，安置在甘泉宫中，焚香致礼。久经战乱，那12座金人早已不知去向。今天陛下所梦见的，也许就是佛的幻影呢！”一席话引起了明帝的猎奇思想，于是派郎中蔡愔西往天竺，求取佛经。蔡愔一路风尘，吃尽千辛万苦，到了大月氏，与大月氏僧人摄摩腾、竺法兰一起，用白马驮着佛教经典回到了洛阳。明帝就命令在洛阳城中建造了中国第一座佛教寺院白马寺，用以储藏佛经，讲授佛教。
永平十八年（公元75年）秋天，明帝染病，不久病逝于洛阳东宫前殿，享年48岁。当年，葬于显节陵，谥号“孝明”，庙号“显宗”。