家世出身
根據《晉書》記載，桓溫是東漢大儒桓榮之後。但據歷史學家田餘慶考證，桓溫的高祖（或高伯祖、高叔祖）是三國時期在嘉平之獄中被司馬氏誅殺的曹魏大司農桓範。
譙國龍亢桓氏淪爲刑家，在西晉並非高門望族。桓彝南渡後交結名士，躋身江左八達之列，並“志在立功”，曾與明帝密謀平定王敦之亂，使得家族地位有所上升。桓溫是桓彝長子，未滿週歲時便得到名士溫嶠的讚賞，因此以“溫”爲名。
早期事蹟
咸和三年（328年），桓彝在蘇峻之亂中被叛軍將領韓晃殺害，涇縣縣令江播也曾參與謀劃。當時桓溫年僅十五歲，枕戈泣血，誓報父仇。咸和六年（331年），江播去世。其子江彪等兄弟三人爲父守喪，因怕桓溫前來尋仇，預先在喪廬內備好兵器，以防不測。桓溫假扮弔客，混入喪廬，手刃江彪，並追殺其二弟，終報父仇，由此爲時人所稱許。
桓溫爲人豪爽，姿貌偉岸，風度不凡，後娶南康長公主爲妻，加拜駙馬都尉，並襲父爵爲萬寧縣男。
鹹康元年（335年），桓溫出任琅琊內史（相當於太守）。後加輔國將軍。
出鎮荊州
建元元年（343年）七月，朝廷以桓溫爲前鋒小督、假節，讓他率部據守臨淮（今江蘇盱眙），協助荊州刺史庾翼北伐。同年十月，桓溫升任徐州刺史，並都督青徐兗三州諸軍事。他與庾翼交好，曾相約一同匡濟天下。
永和元年（345年），庾翼病逝，臨終前請求讓兒子庾爰之接掌荊州，但輔政的侍中何充卻推薦桓溫。丹楊尹劉惔認爲桓溫確有奇才，但亦有野心，不能讓其掌握荊州形勝之地。他建議會稽王司馬昱自領荊州，但司馬昱卻不肯採納。同年八月，桓溫升任安西將軍、荊州刺史，持節都督荊司雍益樑寧六州諸軍事，並領護南蠻校尉，掌握了長江上游的兵權。
掌握朝政
平定蜀地
桓溫出鎮荊州後，打算西伐佔踞巴蜀的成漢政權，以建立功勳。而當時的成漢正日漸衰微，皇帝李勢更是荒淫無道。江夏相袁喬對此極力贊同，建議桓溫率領一萬精兵輕軍速進，直攻成都。同時，他認爲北方的後趙政權不敢趁機進犯，以打消桓溫的顧慮。桓溫遂決定伐蜀。
永和二年（346年）十一月，桓溫上疏朝廷，請求伐蜀，但未等朝廷回覆，便與徵虜將軍周撫、輔國將軍司馬無忌率軍西進。他命袁喬率二千人爲前鋒。朝廷得知後，憂慮不已，認爲他兵力過少，又深入險要偏遠的蜀地，擔心他最終會兵敗而回。唯有劉惔認爲桓溫必能滅蜀。
永和三年（347年）二月，桓溫兵至青衣（今四川名山北）。李勢命將領李福、昝堅率大軍趕赴合水，以抵禦晉軍。漢軍諸將欲在江南設伏，昝堅卻從江北鴛鴦琦渡江，向犍爲（今四川彭山東）開進，結果與晉軍異道而行。同年三月，桓溫兵至彭模（今四川彭山東南），留下參軍周楚、孫盛看守輜重，自己親率步兵直趨成都。李福回軍襲擊彭模，被孫盛等人擊退。而桓溫則三戰三勝，擊敗李權等部漢軍，進逼至成都城下。
昝堅趕到犍爲，未遇晉軍，便從沙頭津（今四川新津南）渡江還軍，卻得知晉軍已攻至成都城外十里陌，因此不戰自潰。李勢只得集結所有兵力，在成都城外的笮橋與晉軍決戰。當時戰況慘烈，晉軍前鋒失利，參軍龔護戰死，漢軍的箭矢甚至射到了桓溫的馬前。諸將皆懼，意欲退兵，而鼓吏卻在這時誤擊前進鼓。袁喬乘勢督促軍士奮戰，終於反敗爲勝，大敗漢軍。桓溫趁勝攻入成都，並焚燬小城。李勢乘夜逃走，遠遁九十里，最終決定投降。桓溫接受投降，將李勢送往建康。成漢政權至此滅亡。
桓溫平蜀後，在當地舉任賢能，援引賢才爲己用，將成漢舊臣王誓、王瑜、鄧定、常璩等人闢爲參軍，成功安撫蜀地。但王誓、鄧定不久便舉兵叛亂，最終都被晉軍討平。桓溫在蜀地留駐一個月，便班師返回江陵（今湖北江陵）。
永和四年（348年），朝廷封賞平蜀之功，欲封桓溫爲豫章郡公，卻被尚書左丞荀蕤勸止。最終，桓溫被封爲徵西大將軍、開府儀同三司、臨賀郡公。
逼廢殷浩
平蜀之戰使得桓溫聲名大振，朝廷忌憚不已，擔心他日後難以控制。會稽王司馬昱只得讓揚州刺史殷浩參與朝政，以期能對桓溫有所抑制。桓溫雖有不滿，但因熟知殷浩爲人，知其難有作爲，對此並不擔心。當時，桓溫治下有八州之地，自行招募軍卒、調配資源，逐漸形成半獨立狀態，漸露不臣之心。朝廷對他已不能徵調如意，但求羈縻而已。因國中無事，君臣尚能相安。
永和五年（349），後趙皇帝石虎病死，北方形勢大亂。桓溫立刻上疏朝廷，請求北伐，但卻始終未得回覆。永和七年（351年）十二月，桓溫再次“拜表輒行”，率五萬大軍順流而下，至武昌（今湖北鄂城）而止。朝廷爲此驚恐不安，殷浩也打算辭官避讓。司馬昱親自寫信給桓溫，極力勸阻，終使桓溫率軍還鎮，返回荊州。後來，朝廷又拜桓溫爲太尉，被桓溫拒絕。
此後兩年間，殷浩數次北伐，欲進據洛陽，修復園陵，但卻屢次戰敗。軍需物資更被掠奪殆盡，朝野怨恨不已。永和十年（354年）正月，桓溫上奏朝廷，列舉殷浩罪狀，迫使朝廷將殷浩廢爲庶人。從此，朝廷內外大權盡歸桓溫，朝中已無人再能阻止桓溫北伐。
三次北伐
一伐前秦
永和十年（354年）二月，桓溫率軍北伐前秦。他親率步騎四萬自江陵出發，由水路自襄陽入均口（今湖北均縣西），然後自淅川（今河南淅川東）直趨武關（今陝西丹鳳東南），同時命梁州刺史司馬勳兵出子午道，合擊秦軍。晉軍歷經數次血戰，生擒前秦將領郭敬，擊退淮南王苻生，順利進入關中。前秦皇帝苻健命苻萇、苻雄、苻菁等將領率五萬軍隊屯兵嶢柳（今陝西商縣西北），以阻擋晉軍。同年四月，桓溫轉戰至灞上（今陝西西安東）。苻萇等部秦軍退守長安城南，苻健自領羸兵六千固守內城，附近郡縣更是紛紛來降。桓溫撫喻百姓，使其安居復業。關中百姓牽牛擔酒沿路迎接，許多老人更是疼哭失聲：“沒想過今天還能再次見到官軍！”
桓溫進入關中時，正值麥收時節，他就打算就地收麥，以解決軍糧問題，於是屯兵不前。苻健聞聽晉軍收糧，猜到恆溫軍中糧草不足，遂採取堅壁清野的方式，使得晉軍糧秣不繼。六月，桓溫被迫撤返江陵，並將關中三千多戶百姓一同遷走。秦軍隨後趁勢追擊，晉軍大敗，傷亡甚衆。
桓溫北伐期間，隱居關中的王猛曾前來拜見，並大談當世之事，旁若無人，深得桓溫的賞識。桓溫撤退時邀請王猛一同南下，並任命他爲高官督護。但王猛卻不肯跟隨，留在了北方。
二伐姚襄
永和十二年（356年）二月，桓溫數次上表，請求朝廷移都洛陽，修復園陵，但都沒有得到朝廷同意。不久，朝廷拜桓溫爲征討大都督，都督司、冀二州諸軍事，負責征討事宜。七月，桓溫自江陵出兵再次北伐，並命督護高武據守魯陽（今河南魯山），輔國將軍戴施屯駐河上，進逼許昌、洛陽。同時，他上疏朝廷，請求徐、豫二州出兵淮、泗，進入黃河，以配合作戰。
同年八月，桓溫兵至伊水（在今洛陽城南）。羌族首領姚襄正圍困洛陽，聞桓溫來攻，撤軍而回，在伊水之北拒水而戰。桓溫親自披甲督戰，命晉軍結陣而進，終於大破姚襄，收復洛陽。他進入金墉城，拜謁先帝皇陵，並設定陵使修復皇陵。不久，桓溫班師南迴，並將三千多家歸降百姓南遷至長江、漢水一帶。
桓溫返回荊州後，先後命部將剿平蠻賊文盧、妖賊李弘，將首級傳送建康（今江蘇南京）。但與此同時，收復的司隸、豫州、青州、兗州等地再次失陷。昇平四年（360年），朝廷封桓溫爲南郡公，並將其原有爵位臨賀郡公降爲縣公，封授給其次子桓濟。
移鎮姑孰
隆和元年（362年），前燕將領呂護進攻洛陽。河南太守戴施棄城而逃，冠軍將軍陳祐遣使告急。五月，桓溫派竟陵太守鄧遐率三千人協助守城，再次上表要求遷都洛陽，並建議將永嘉之亂後流亡江南者全部北徙，以充實河南之地，皆被朝廷駁回。後來，朝廷又以交州、廣州偏遠爲由，免去桓溫的交廣二州都督，改授其爲都督並司冀三州諸軍事。桓溫上表推辭。
興寧元年（363年），朝廷加授桓溫爲侍中、大司馬、都督中外諸軍事、假黃鉞，賜其羽葆鼓吹一部。二年（364年），桓溫率水師進駐合肥，準備北伐。五月，朝廷進封桓溫爲揚州牧、錄尚書事，遣侍中顏旄宣旨，召其入朝參政。桓溫以中原尚未恢復爲由推託。朝廷不許，再次徵桓溫入朝，但當桓溫赭圻（今安徽繁昌西）時，卻又尚書車灌前來制止。桓溫遂駐軍赭圻，上表辭去錄尚書事一職，只遙領揚州牧。興寧三年（365年），前燕再次攻打洛陽，陳祐出逃。司馬昱得知，與桓溫在洌洲（在今安徽和縣）會面，命他移鎮姑孰（今安徽當塗），準備征討之事，但最終因晉哀帝駕崩而作罷。
太和三年（368年），桓溫獲加殊禮，位在諸侯王之上。遂駐軍赭圻，上表辭去錄尚書事一職，只肯遙領揚州牧。
三伐前燕
太和四年（369年）三月，徐兗二州刺史郗愔致信桓溫，表示願意與他共同輔佐王室，請求率部出河上。當時，北府兵卒悍勇，桓溫不願讓郗愔掌握京口（今江蘇鎮江）重鎮。郗愔之子郗超爲桓溫參軍，暗中將原信毀掉，並以父親的名義僞造信件，自稱老病，請以閒職休養。桓溫便順勢改任郗愔爲會稽內史，自領徐兗二州刺史，兼併了郗愔的軍隊。
同年四月，桓溫親率步騎五萬，與江州刺史桓衝、豫州刺史袁真一同北伐前燕。他率軍攻湖陸，擒獲燕將慕容忠，進逼金鄉。當時正逢大旱，水道不通，桓溫便讓人在鉅野開鑿水路三百里，使船隻由清水進入黃河。郗超建議桓溫盡率全軍直擊前燕國都鄴城，或者堅守河道，控制漕運，儲蓄糧食，直至明年夏天再繼續進攻。他認爲如不速戰速決，當戰事拖延至秋冬後，在水量減少而北方早降溫的客觀條件之下，會令晉軍更難維持。但桓溫全都不聽。
七月，燕國大將慕容垂、傅末波等人率八萬大軍前來抵抗晉軍，兩軍對峙於枋頭（在今河南浚縣）。桓溫命袁真進攻譙、樑，並開啟石門水道。但袁真始終無法開通石門，最終晉軍軍糧耗盡。九月，桓溫焚燬戰船，退軍而去。慕容垂率八千騎軍追趕，與晉軍戰於襄邑（今河南睢縣西）。桓溫大敗，死傷三萬人。
晚年弄權
攻陷壽春
桓溫兵敗後，退至山陽（今江蘇淮安），收集散卒，並將戰敗之罪委於袁真。他上疏朝廷，請廢袁真爲庶人。袁真不服，據壽春（今安徽壽縣西南）叛變，並暗中勾結前秦、前燕。朝廷不但不敢追究桓溫的兵敗之責，還命侍中羅含帶着牛酒到山陽犒勞桓溫，並任命其子桓熙爲豫州刺史。後來，桓溫又移鎮廣陵（今江蘇揚州）。
太和五年（370年）二月，袁真病死，部將朱輔擁立其子袁瑾爲豫州刺史。前燕、前秦都遣軍援助袁瑾，桓溫命部將竺瑤、矯陽之率軍迎戰。燕軍先至，在武丘（今河南沈丘東南）與竺瑤交戰，結果大敗而回。同年八月，桓溫率二萬軍隊攻打壽春，並築起長圍，將城池團團圍困。袁瑾只得嬰城固守。
太和六年（371年），前秦將領王鑑、張蠔率軍援救袁瑾，結果被桓溫部將桓伊、桓石虔（桓溫之侄）擊敗。不久，桓溫攻破壽春，俘獲袁瑾，將袁瑾、朱輔及其宗族數十人全部送往建康斬首。袁瑾妻女被賞賜將士，所侍養的數百乞活軍則被活埋。從此，豫州徹底落入桓溫之手。桓溫掌握了進入建康的鎖鑰。
廢帝立威
桓溫自負才能過人，久懷異志，因此發動北伐希望先建立功勳，然後回朝接受九錫，從而奪取政權。但因第三次北伐失敗，聲望大減，圖謀不成。壽春之戰後，桓溫曾問郗超道：“這次勝利能雪枋頭兵敗之恥嗎？”郗超則表示不能，並建議桓溫效仿伊尹、霍光，廢立皇帝，以重立威權。桓溫遂決定廢黜皇帝司馬奕。
太和六年（371年）十一月，桓溫帶兵入朝，威逼褚太后廢除司馬奕的帝位。他誣稱司馬奕因陽痿不能生育，讓寵臣相龍、計好、朱炅寶等人與後宮美人私通，所生三子將冒充皇子建儲爲王。褚太后只得集百官於朝堂，下詔廢司馬奕爲東海王。而後，桓溫親率百官至會稽王邸，迎司馬昱入朝，擁立爲帝，是爲晉簡文帝，改元鹹安。
晉朝開國百餘年，從未發生廢立之事。桓溫擅行廢立，不僅令百官震慄，自己也緊張不已。前秦皇帝苻堅對此不以爲然，他道：“桓溫此前敗於灞上，而今又敗於枋頭，十五年內兩次使國家軍隊遭受重大打擊。不但不反思過錯，向百姓謝罪，竟還廢黜君主。六十歲的老叟如此舉動，如何自容於天下？”
清除異己
桓溫廢立後，對朝中的異己力量大加廢徙。
武陵王司馬晞好習武事，又在朝中擔任太宰重職，素爲桓溫所忌。桓溫以“聚納輕剽，苞藏亡命”爲由彈劾司馬晞，免去司馬晞與其子司馬綜、司馬囗的官職，讓他們返回封地。後來，桓溫又逼新蔡王司馬晃自首，稱與司馬晞、司馬綜、著作郎殷涓、太宰長史庾倩、散騎常侍庾柔等人謀反，將他們收付廷尉，請予誅殺。簡文帝不許。最終，司馬晞、司馬晃被廢爲庶人，殷涓、庾倩、庾柔等人都被族誅。潁川庾氏是高門望族，勢力強盛，庾希、庾倩等兄弟六人皆爲朝中顯貴，深爲桓溫所忌。庾倩、庾柔被誅後，庾蘊飲鴆自盡，庾希則與弟弟庾邈、兒子庾攸之逃入海陵（今江蘇泰州）陂澤。青州刺史武沈是庾希表兄，暗中爲他供應糧餉。庾友因兒媳桓氏是桓溫侄女，得到求情，最終得以倖免。
鹹安二年（372年），桓溫得知庾希兄弟的蹤跡，派軍隊搜捕。庾希遂與武沈之子武遵在海邊聚衆搶奪船隻，乘夜攻入京口，趕跑晉陵太守卞耽。他們開啟監獄，放出數百囚徒，發放兵器，宣稱奉密旨除桓溫。卞耽逃往曲阿（今江蘇丹陽），徵發諸縣鄉兵兩千人，與庾希對抗。庾希戰敗，退守城池。桓溫又命東海太守周少孫征討。周少孫攻克京口，擒獲庾希等人。最終，庾希、庾邈、武遵以及子侄、部衆全被斬於建康。
桓溫誅除庾氏，威勢極盛。侍中謝安見而遙拜，更以君臣稱作二人關係。而簡文帝雖被立爲皇帝，但卻形同傀儡，常擔心被桓溫廢黜，甚至向郗超詢問桓溫是否會再行廢立。郗超以家族百口擔保不會再發生政變，簡文帝這才稍微安心。
拒不入朝
簡文帝繼位不久，便進封桓溫爲丞相，留其在京師輔政。桓溫辭讓不受，率軍返回白石（今安徽當塗西），還鎮姑孰。後來，簡文帝又派侍中王坦之徵召桓溫，請其入朝輔政，並增食邑萬戶。桓溫再次推辭。
鹹安二年（372年）七月，簡文帝病重，急召桓溫回朝，並在一晝夜內連發四道詔書。桓溫仍推辭不肯入朝。簡文帝只得傳下遺詔，讓桓溫攝政，效仿周公。但侍中王坦之卻據理力爭，將遺詔中的“攝政”改爲“輔政”，依照諸葛亮、王導舊例。隨即，簡文帝駕崩。桓溫原以爲簡文帝臨死會禪位給自己，或讓自己攝政，而今大失所望，怨憤不已。
簡文帝駕崩後，羣臣懼於桓溫，不敢擁立太子，都認爲應請桓溫決定。尚書僕射王彪之極力反對，太子司馬曜方纔得以繼位，是爲晉孝武帝。褚太后認爲孝武帝年幼，且正在居喪期間，再次提議讓桓溫攝政，結果被王彪之阻止。後來，孝武帝又命謝安徵桓溫入朝輔政，並加其前部羽葆鼓吹，賜武賁六十人。桓溫仍舊辭讓，既不接受，也不入朝。
病重而死
寧康元年（373年）二月，桓溫帶兵入朝，拜謁皇陵。當時，京中流言四起，都說他此次入京是要誅除王謝、顛覆晉朝。朝廷命謝安、王坦之率百官到新亭（今南京西）迎接，拜於道側，朝中位望稍高者皆驚慌失措。但桓溫卻只以“盧悚入宮”一案，將尚書陸始收付廷尉。不久，桓溫患病，返回姑孰，前後在京不過十四天。
桓溫回到姑孰後，病漸沉重，但仍逼朝廷加其九錫之禮，並多次派人催促。謝安、王坦之見桓溫病重，以袁宏所撰錫文不好爲由命其修改，藉此拖延。同年七月，桓溫姑孰病逝，終年六十二，至此錫文仍未完成。朝廷追贈桓溫爲丞相，諡號宣武，喪禮依照安平獻王司馬孚、霍光舊例，又賜九旒鸞輅、黃屋左纛等物。
桓溫死後，將兵權交付弟弟桓衝，南郡公爵位則由幼子桓玄襲封。世子桓熙不服，遂與叔父桓祕、弟弟桓濟謀殺桓衝，結果被桓衝發覺，都被流放長沙。元興二年（403年）十一月，桓玄代晉稱帝，建立桓楚，追尊桓溫爲宣武皇帝，廟號太祖，墓爲永崇陵。
父母
桓彝，東晉宣城內史，蘇峻之亂時因反抗蘇峻而遇害。
孔憲，追贈臨賀太夫人。
妻妾
司馬興男，晉明帝之女，封號南康公主。
李氏，李勢之女（一說爲妹），桓溫平蜀後納爲妾侍。
馬氏，桓玄生母，後被追贈爲豫章公太夫人。
兄弟
根據《晉書·桓彝傳》記載，桓溫是桓彝長子，有四個弟弟。
1. 桓雲，官至建武將軍、江州刺史、都督司豫二州軍事，襲封萬寧縣男。
2. 桓豁，官至徵西大將軍、荊州刺史、監荊揚雍寧益交廣七州諸軍事。
3. 桓祕，官至中領軍，曾與侄子桓熙、桓濟謀殺桓衝，事敗後被家族廢棄。
4. 桓衝，官至侍中、車騎將軍、荊州刺史，都督江荊等七州三郡諸軍事，封豐城縣公。
子女
兒子
根據《晉書·桓溫傳》記載，桓溫生有六子。
1. 桓熙，南郡公世子，與桓濟、桓祕謀殺桓衝，失敗後被徙至長沙。
2. 桓濟，封臨賀縣公，與桓熙、桓祕謀殺桓衝，失敗後被徙至長沙。
3. 桓歆，封臨賀郡公。
4. 桓禕
5. 桓偉，官至安西將軍、領南蠻校尉、荊州刺史、使持節督荊益寧秦樑五州諸軍事，封西昌侯。
6. 桓玄，襲爵南郡公，官至相國。後篡位建立桓楚，最終被劉裕所主持的討伐軍擊殺。
女兒
桓溫的女兒見諸史冊的有三人：
1. 桓伯子，嫁王愷（出身太原王氏，王坦之之子）。
2. 桓氏，嫁王敬弘（出身琅琊王氏，晉陵太守王茂之之子）。
3. 桓氏，嫁殷仲文（出身陳郡殷氏，吳興太守殷康之子）。
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