即位前山部作为白壁王（日后的 [[ 光仁天皇 ]] ）的长子，737年（天平9年）出生。生母是以 [[ 百济 ]] 武宁王为祖的王族后裔和氏出身的 [[ 高野新笠 ]] 。因为生母出自身份低下的归化系氏族，山部最早是想作为官僚出人头地，担任大学头和侍从（光仁天皇即位以前被称为山部王）。

父王即位后，在亲王宣下的同时被授予四品官位，之后担任中务卿。因为生母的出身低下，山部亲王并没有想到日后会被立为太子。但是，在藤原氏等卷起的政治斗争之中，异母弟皇太子他户亲王之母皇后井上内亲王在772年4月9日（宝龟3年3月2日），他户亲王在同年7月2日（5月27日），相继被废。第二年的773年1月29日（宝龟4年1月2日），山部亲王被册立为皇太子，其背后是因为藤原式家的 [[ 藤原百川 ]] 的拥立。

781年4月30日（天应元年4月3日），山部亲王接受光仁天皇的让位，就天皇位。第二天的5月1日（4月4日），册立同母弟早良亲王为皇太子。5月12日（4月15日），宣读即位诏书。783年5月23日（延历2年4月18日），册立 [[ 藤原乙牟漏 ]] （父亲是藤原式家的 [[ 藤原良继 ]] ）为皇后。   桓武天皇与皇后之间，生有安殿亲王（日后的 [[ 平城天皇 ]] ）和神野亲王（日后的 [[ 嵯峨天皇 ]] ）。   另外，还与夫人 [[ 藤原旅子 ]] （ [[ 藤原百川 ]] 之女）之间生有大伴亲王（日后的 [[ 淳和天皇 ]] ），与夫人多治比真宗之间生有葛原亲王（786-853，武家之栋梁桓武平氏之祖）。

桓武天皇即位前的772年（宝龟3年）有井上内亲王和他户亲王、在位中的785年（延历4年）有早良亲王，都是死于非命，其间有重重阴谋。桓武天皇害怕井上内亲王和早良亲王的怨灵，于800年8月16日（延历19年7月23日），追尊早良亲王为“ [[ 崇道天皇 ]] ”，并恢复井上内亲王的皇后之位。

785年（延历4年）9月左右，皇太子早良亲王以暗杀 [[ 藤原种继 ]] （藤原式家）为理由被废除太子之位，被处以流放之刑，早良亲王以绝食抗议，死于流配的途中。之后，同年12月31日（11月25日），桓武天皇册立安殿亲王为皇太子。

文化方面，桓武天皇提议编纂《 [[ 续日本纪 ]] 》。还有 [[ 最澄 ]] （日本天台宗之祖，也是日本著名的渡来人一族， [[ 天台宗 ]] 是创立于中国的佛教宗派）和 [[ 空海 ]] （日本真言宗之祖）由大唐回到日本。当时，旧有 [[ 奈良 ]][[ 佛教 ]] （南都六宗）与政权紧密相关，权力过大。   桓武天皇作为最澄和空海的庇护人，采取没收奈良佛教封户等政治压迫手段，推动天台宗、 [[ 真言宗 ]] 等新兴佛教宗教取代日本旧有的奈良佛教宗派。