裴炎生性宽厚，不苟言笑，后进入 弘文馆就读。他勤奋好学，同学出外游玩时，仍苦读不辍，并以学业未精为由，拒绝官府的 征辟。

裴炎在弘文馆苦学十年，精研《 左传》，后参加 科举，考中明经科，被授为濮州 司仓参军，历任御史、起居 舍人，累迁至黄门 侍郎。

680年（调露二年），裴炎升任 同中书门下三品，成为宰相，后进拜侍中。682年（永淳元年）， 唐高宗前往 东都洛阳，命裴炎留守 长安，辅佐 皇太子李显。

683年（永淳二年），唐高宗病重，李显赴洛阳 监国，命裴炎与 刘齐贤、 郭正一在东宫处理政务。十二月，高宗去世， 李显即位，是为唐中宗，任命裴炎为中书令。

684年（光宅元年）正月，唐中宗打算封岳父 韦玄贞为侍中，又欲任命乳母之子为 五品官。裴炎对此极力反对，中宗负气道：“我就算把国家让给韦玄贞都没什么，何况区区一个侍中。”裴炎非常恐惧，便禀告 太后武则天，决定废黜皇帝。武则天命裴炎与 中书侍郎刘祎之、羽林将军 程务挺、张虔勖率军入宫，宣布废黜皇帝的 懿旨，然后扶中宗下殿。中宗道：“我有什么罪过？”武则天道：“你欲把天下让给韦玄贞，怎能说无罪！”于是废中宗为 庐陵王，改立豫王 李旦为帝，是为唐睿宗。裴炎因 定策之功，被封为河东 县侯。

当时，唐睿宗虽是皇帝，朝廷大权仍掌握在武则天手中。 武承嗣请求立武氏 七庙，并追封祖先为王。裴炎进谏道：“太后 母仪天下，不应偏私于亲属。难道太后忘记吕氏的败亡吗？”武则天道：“ 吕后将权力交给生者，因此失败。现在我追尊死者，有什么损害呢？”裴炎道：“应当 防微杜渐。”武则天很不高兴，虽未立七庙，仍追尊父祖为王。裴炎也因此得罪武则天。

后来，武承嗣认为韩王 李元嘉、鲁王 李灵夔是皇帝叔祖，地位崇高，便劝武则天借故将其诛杀。武则天询问宰相的意见， 刘祎之、 韦思谦都一言不发，只有裴炎极力反对。武则天对此更不高兴。

同年九月， 徐敬业在 扬州起兵反武。裴炎趁机道：“天子已经成人，却没有 亲政，才让小人有造反的借口。如果把朝政还给天子，叛军不用讨伐便会解散。”御史 崔詧道：“裴炎是 顾命大臣，听到叛乱，却不愿征讨，只是让太后还政，一定是有异心。”武则天于是将裴炎关入 诏狱，命御史大夫 骞味道、御史鱼承晔审问。

裴炎入狱后，不肯委曲求全，道：“宰相入狱，哪有能保全的道理！” 凤阁侍郎胡元范对武则天道：“裴炎是社稷之臣，有功于国，忠于皇帝，天下皆知，我敢证明他不会谋反。” 纳言刘齐贤、左卫率 蒋俨都为裴炎辩护。武则天道：“裴炎有造反的意图，只是你们不知道而已。” 胡元范、刘齐贤都道：“如果裴炎所为是造反，那我们也是造反。”武则天道：“朕知道裴炎造反，你们不是造反。”

不久，裴炎被斩杀在洛阳都亭。他对兄弟们道：“你们的官职都是自己取得的，我没出什么力，现在却因我而被流放，岂不令人悲痛！” 裴炎死后，为他申辩过的官员相继获罪。宰相刘齐贤被贬为 吉州（在今 江西） 长史，胡元范被流放 琼州（今 海南）， 郭待举贬为 岳州（在今 湖南） 刺史，程务挺也被斩杀于军中。

710年（景云元年），唐睿宗复位，追赠裴炎为太尉、 益州大都督，谥号为忠。

裴行俭征讨 突厥时，曾许诺投降不杀， 阿史那伏念等人因此投降唐军。不料，裴炎却嫉妒裴行俭的功劳，以“窘急而降”为由，将阿史那伏念等五十四人斩于都市。裴炎斩杀降将，使国家丧失信誉，后来被杀，人们都认为是阴祸的报应。

刘素：炎居中执权，亲授顾托，未尽匡救之节，遽行 伊霍之谋， 神器假人，为兽傅翼，其不免也宜哉！

刘昫：裴炎位居 相辅，时属艰难，历览前踪，非无忠节。但见迟而虑浅，又遭命以会时。何者，当是时，高宗 晏驾尚新，武氏革命未见，炎也唯虑中宗之过失，是其浅也；不见太后之 苞藏，是其迟也。及乎承嗣请封 祖祢，三思劝杀 宗亲，然后徒有 谏章，何尝济事，是辜遗托，岂痛伏诛。时论则然，迟浅须信。况闻睹构逆则示其闲暇，俾杀降则彰彼猜嫌，小数有余，大度何足，又其验也。

宋祁：异乎，炎之暗于几也！知中宗之不君，不知武后之盗朝，假虎翼而责其搏人，死固宜哉！

张燧：母后临朝，如吕氏、武则天，此国家大变也。 王陵、裴炎迎祸乱之锋，欲以一言折之，故不废则死。 陈平、 狄仁杰待其已衰而徐正之，故身与国俱全。

蔡东藩：中宗欲以天下与韦玄贞，无非是一恨语，不得作为实谈，裴炎果忠于事君，何妨委曲调护，今日不从，期诸他日，讵必急白太后，密谋废立耶？炎只知有武氏，不知有中宗，而其后卒为诸武所倾，枭首都亭，是何若强谏中宗，誓死廷前之为愈也。

《 全唐文》收录有其文章一篇：《猩猩铭》。

父亲：裴大同，官至洛交府 折冲。

兄弟：裴旦，官至京掾。

儿子：裴懿，官至 太子舍人。

儿子： 裴彦先，官至太子 中舍人。

侄子： 裴伷先，官至 工部尚书，封翼城 县公。

《 旧唐书·卷八十七·列传第三十七》

《 新唐书·卷一百一十七·列传第四十二》

《 资治通鉴·卷二百二·唐纪十八》

《资治通鉴·卷二百三·唐纪十九》

1995年《 武则天》， 谭 非 翎饰演裴炎。

1998年《 上官婉儿》， 樊志起饰演裴炎。

1999年《 大明宫词》， 闫怀礼饰演裴炎。

2004年《 无字碑歌》， 赵晋饰演裴炎。

2006年《 日月凌空》， 赵守凯饰演裴炎。

2011年《 武则天秘史》， 杨洪武饰演裴炎。

2012年《 太平公主秘史》，符毅明饰演裴炎。

2012年《 大唐文宗》， 舒耀宣饰演裴炎。

2014年《 上官婉儿》， 卢勇饰演裴炎。