孝哀皇帝，是汉元帝的庶孙，定陶恭王的儿子。母亲是丁姬。三岁时嗣立为王，成人后爱好文辞法律。元延四年（公元前13年）入都朝见成帝，他的傅、相、中尉都一同前来。此时成帝的少弟中山孝王也来朝见，却只有傅同来。上甚不解，就问定陶王，定陶王答道：“朝廷有令，各侯王来朝，其封国爵在二千石的官吏应一同前来。傅、相、中尉都是二千石，所以都应该一同前来。”皇上叫他背诵《诗》，都很熟悉，且能说明其义。又一日，成帝问中山王：“只要傅同来是根据哪条法令？”中山王无言以对。叫他背诵《尚书》，中间又遗忘了。成帝请他吃饭，别人吃完了他还在吃，离席时，连袜带子也掉下来了。成帝看到这些就认为中山王是个无能的人，而对定陶王则十分喜欢，经常夸他的才能。
此时定陶王的祖母傅太后陪同来朝，私下馈赠成帝所宠爱的赵昭仪及帝舅骠骑将军、曲阳侯王根。赵昭仪及王根见皇上无子，也想早日与一位合适的王子建立关系保持自己的富贵长久，就都极力夸奖定陶王，劝成帝立他为太子。成帝也很欣赏定陶王才能，就在朝中为他举行成人加冠礼后遣他回封地定陶，此时十七岁了。
第二年，皇上派执金吾任宏代理大鸿胪，持帝诏召定陶王，立为皇太子。定陶王谢诏说：“小臣有幸得继承先父守藩为诸侯王，才能德性都不够进入太子之宫。陛下圣德宽仁，敬承祖宗，奉顺神祗，理应受天之福多子多孙。臣愿暂居京都馆舍，晨昏奉问皇上起居，待皇上有圣嗣之后，就归封国守藩。”书上奏后，天子说都知道了。一个多月过后，下诏书立楚孝王孙刘景为定陶王，奉定陶恭王祭祀，这是为了奖励太子重视宗桃的品行。具体记载在《汉书·外戚传》。
绥和二年（公元前7年）三月，成帝驾崩。四月初四日，太子即皇帝位，拜谒汉高祖庙。尊皇太后为太皇太后，皇后为太后。大赦天下，赏赐宗室王子尚在五服之中的马各一乘(四马)，吏民加爵，每百户牛酒若干，三老、孝悌力田、鳏寡孤独各赐布帛。太皇太后下诏尊定陶恭王为恭皇。
五月十九日，立傅氏为皇后，下诏说：“《春秋》有言‘母以子贵，’现尊定陶太后为恭皇太后，丁姬为恭皇后，各设左右省视官员，食邑与太后，皇后相同。”追赠傅太后之父为崇祖侯，恭皇后丁姬之父为褒德侯。封舅父丁明为阳安侯，舅父子丁满为平周侯。追谥丁满之父丁忠为平周怀侯，皇后父傅晏为孔乡侯，皇太后之弟侍中光禄大夫赵钦为新成侯。
六月，下诏说：“郑声淫而乱乐，圣人所弃，现在罢免乐府。”
曲阳侯王根曾以大司马建议立太子以安社稷，加封二千户。太仆安阳侯舜辅导有旧恩，加封五百户，另外丞相孔光，大司空汜乡侯何武各加封千户。
下诏说：“河间王良为太后服丧三年，是宗室表率，加封一万户。”
诏文又说：“制节谨慎适度以防止奢淫，是为政的首要任务，是历代不可改易的常法。各侯王、列侯、公主、吏二千石及豪富民多富奴婢，田宅无限，与民争利使百姓失其常业，处于严重困境。应制定限禁的条例。”有关官员条呈：“各王、列侯能在其封国占有的田地，列侯在长安及公主在各县道占有的田地，关内侯、吏民占有的田地，都不得超过三十顷。各侯王奴婢二百人，列侯、公主百人，关内侯、吏民三十人。年六十以上、十岁以下，不在此数额之中。商人都不允许占田、为吏，犯者按法论处。凡是占田与畜奴婢超过限额的，都没收入县官。齐三服官、诸官所织的绮绣、技术复杂难以达到这劳害女工之物，都停止制作，已制成的也不允许献纳。撤销任二千石职达三年可以任一子为郎以及诽谤欺诬论罪之法。内宫宫人在三十岁以下的，可以出嫁。官家奴婢五十岁以上的，免去奴婢籍而为平民。郡国不许献珍禽异兽。增加吏禄在三百石以下的俸禄。主持考察的官吏残暴酷虐的，发现后即时免职。有关官员不得加重或赦免以前已作处置的旧案。博士弟子父母死，赐与归家三年的服丧期。”
秋，曲阳侯王根、成都侯王况都有罪。王根离开京师到封地去，王况削职为民，回老家去。
下诏说：“朕继承大统的重任，战战兢兢惧失天心。近来日月无光，五行失行，郡国经常发生地震。同时河南、颍川郡黄河决口，淹死百姓，冲坏屋舍。朕的德行浅薄。以致百姓遭罪，朕深感恐惧。已派光禄大夫巡视灾区举其名籍，赐死者棺木之费，每人三千。令遭受水灾的县邑及其他郡国因灾害减收四成以上，人民资财不满十万的，都免除今年租赋。”
建平元年(公元前6年)春正月，赦免天下。侍中骑都尉新成侯赵欣，成阳侯赵讠斤皆有罪，废其爵为平民，放徙到辽西。
太皇太后下诏说：“外戚家王氏田地不是冢域场，都交给贫民耕种。”
二月，皇上下诏说：“曾闻圣王得以国泰民安，实以能启用贤才为首。现诏付大司马、列侯、将军、中二千石、州牧、守、相等举荐孝悌淳直能直言通政事，虽地位低微亦可担任治民之官，每人荐一人。”
三月，赐各侯王、公主、列侯、相、丞相、将军、中二千石、中都官郎吏金钱布帛，各有等差。
冬季，中山孝王太后冯媛、太后弟宜乡侯冯参有罪，全都自杀了。
二年春三月，罢设大司空，恢复御史大夫。
夏季四月，下诏说：“汉家制度，对天子之至亲，当极尊号。定陶恭皇的号不应再称定陶。尊恭皇太后为帝太太后，称永信宫；恭皇后为帝太后，称中安宫。立恭皇庙于京师。赦免天下被流放的罪犯。”
罢设州牧，恢复刺史。
六月初五日，皇太后丁氏去世。皇上说：“朕闻夫妇为一体。《诗》说：‘生则异内外之室，死则同冢墓之穴。’昔日鲁大夫季武子的寝陵修成后，其妻杜氏之殡在西阶下，子孙请求合葬而得到同意。附葬之礼，从周朝就兴起了。孔子说：‘周朝的仪典文章大备啊！我遵循周礼。’孝子事死者如事生者。皇太后应起陵于恭皇之陵园。”于是葬丁太后于定陶。征集陈留、济阴附近郡国五万人开挖墓穴并进行封土。
待诏夏贺良等作汉高祖为赤帝之精的谶言，说汉家历运中衰，应再受天命，要改元易号。皇上下诏说：“汉兴二百年，历数开元。皇天保佑朕这不才之人，汉国再获受命之符，朕的德行菲薄，岂敢不遵！大凡更受天的大命，必须改制更新，现大赦天下。以建平二年为太初元将元年，号称陈圣刘太平皇帝。漏刻以一百二十为度。”
七月，以渭城西北原上永陵亭都为初陵。勿须迁徙郡国居民，使他们能自安。
八月，下诏说：“待诏夏贺良等建议改元易号，增加漏刻，可以使国家长治久安。朕过于听信贺良等言，希望为四海造福，然而并无什么福祉降临。他们的建议都是违经背古、逆时而动的。六月初九日所下诏书，除赦令以外，一律取消。贺良等反道惑众，交付执法部门处置。”夏贺良等都伏罪。
丞相朱博、御史大夫赵立、孔乡侯傅宴有罪。朱博自杀，赵立减死二等论罪，傅宴削减食邑户四分之一。其事记在《朱博传》中。
三年春正月，立广德夷王弟广汉为广平王。
正月二十一日，皇太后所居桂宫正殿火灾。
三月二十八日，丞相平当去世。有彗星出现于河鼓间。
夏六月，立鲁顷王子吾阝乡侯闵为王。
冬季十一月初五日，恢复甘泉泰山祭祠、汾阴后土祭祠，取消南北郊祭。
东平王云、云后谒、安成恭侯夫人放都有罪，云自杀，谒、放都处死。
四年春季，发生大旱灾。关东民间传行西王母的神机妙算，经历郡国，西入关到长安。群众又聚集祭祀西王母，有的夜间持火上屋，击鼓号呼互相惊恐。
二月，封帝太太后从弟侍中傅商为汝昌侯，太后同母弟之子侍中郑业为阳信侯。
三月，侍中驸马都尉董贤、光禄大夫息夫躬、南阳太守孙宠都以告发东平王有功而封为列侯，其事记在《董贤传》中。
夏季五月，赐中二千石至六百石及天下男子爵级。
六月，尊帝太太后为皇太太后。
秋季八月，恭皇园北门发生火灾。
冬季，诏令将军，中二千石举荐熟谙兵法有策谋思虑的人。
元寿元年(公元前2年)春季正月初一，发生日偏食。皇上下诏说：“朕继承大统，不明不敏，深夜忧劳，无暇宁息。仍是阳阴不调，百姓不足，不知过错在何处。屡令公卿，望其励精图治，至今有关官员执法，没有正确目标，有的残暴凶虐，借势获名，而温良宽柔的人，却受到摧残而亡灭。因之残贼之风日烈，和睦之气日衰，百姓愁苦怨恨，不知如何立身。于是正月初一，发生日食，其过不远，责任都由朕承担，公卿大夫都要尽心尽力为百僚表率，重用仁人，贬黜残贼，以期安定人民。列举朕的过失，知无不言。可与将军、列侯、中二千石举荐贤良方正能直言的各一人。大赦天下。”
正月十七日，皇太后傅氏驾崩。
三月，丞相王嘉有罪，下狱死。
秋九月，大司马骠骑将军丁明免职。
孝元帝庙殿门铜龟蛇及门铺首发出声音。
二年春正月，匈奴王单于鸟孙大昆弥来朝。二月，回国，单于不悦。事记在《匈奴传》中。
夏季四月三十日，出现日偏食。
五月，正三公官分职。大司马卫将军董贤为大司马，丞相孔光为大司徒，御史大夫彭宣为大司空，封长平侯。正司直、司隶，创置司寇职，未作最后确定。
六月初三日，哀帝驾崩于未央宫。秋季九月十八日，葬于义陵。
班固评论：汉哀帝从为藩王到被立为太子，文辞博敏，幼有善闻。目睹汉成帝时爵禄尽入王家，权柄转入外戚之手，所以哀帝执政屡诛大臣，意图加强主威，以武帝、宣帝为法。生性不爱声色，有时看看手持角力的武戏。即位时身患瘘痹之疾，以后逐渐加重，从二十岁起当了六年皇帝就去世了。可惜啊！