据说，裴炎在少年时代就勤奋好学，在被补为弘文生后，每遇休假，其他同学大多处出游山逛景，而裴炎仍继续读书。他在学馆努力读书达十年之久，对《左氏春秋》、《汉书》有很深的研究。
裴炎的仕途生涯比较顺利，历任要职，从伏州司仓参军一直做到兵部侍郎、中书门下平章事、侍中、中书令。
唐高宗李治临终时，曾下诏令裴炎辅佐太子李显（即唐中宗）。公元 684年，中宗即位后准备封他的岳父（即韦后之父）韦玄贞为侍中，又准备给他乳母的儿子封为五品官。裴炎力谏，认为不可。唐中宗心里很不高兴，他对左右说：“我把整个国家让给我岳父韦玄贞都可以，岂止一个侍中呢！”裴炎得知后心里十分恐惧，便和武则天共同帝定了废掉中宗的计策。与中书侍郎刘之、羽林将军程务挺、张虔勖等带兵进入宫内，宣布了太后武则天的诏令，废掉了中宗。中宗李显被扶下殿时不服，问：“我有何罪？”武则天大声说：“汝欲将天下与韦玄贞，保得无罪！”于是李显被黜为庐陵王，立豫王李旦为帝（即唐睿宗）。裴炎在这次宫廷政变中因定策有功，被封为河东县侯。
武则天垂帘听政以后，又于当年将李旦降为皇嗣，自己亲自临朝。这时，武家权势显赫，武则天的侄儿武承嗣上疏，奏请立武氏七庙及追封武家0。武则天正准备批准这个奏请时，裴炎进谏说：“皇太后天下之母，圣德临朝，当存至公，不宜追王祖祢，以示自私。且独不见吕氏之败乎？臣恐后之视今，亦犹今之视昔。”武则天说：“吕氏之王，权在生人；今者追尊，事归前代。存殁殊迹，岂可同日而言？”裴炎又说：“蔓草难图，渐不可长，殷鉴未远，当绝其源。”武则天表面上虽然停止了“追王祖祢”之事，但心中却对裴炎老大不悦。
武承嗣与武三思为了确立武周王朝，铲除唐王朝李家的势力，主张斩草除根，准备把唐李王朝的近亲韩王李元嘉、鲁王李灵夔杀掉。当时，中书侍郎刘纬之、韦仁约等人都吓得不敢作声，而裴炎却出面力争，制止了这件谋杀事件。野心勃勃、想当皇帝的武承嗣对此深为遗恨。
文明元年（ 684年）二月，武则天改易官员，裴炎任内史。秋天，徐敬业在扬州起兵，讨伐武则天。武则天找裴炎商量对策，裴炎建议说：“皇帝（指唐睿宗李旦）虽然年长，但他从来没有亲临朝政，说话办事，都还是很无能的。假如太后能返政，那么徐贼的讨伐问题，就会不攻自破了。”这一下，可招来了大祸。御史崔察乘机上言说：“裴炎伏事先朝二十余载，受遗顾托，大权在己，若无异图，何故请太后归政？”武则天即命御史大夫骞味道、御史鱼承晔审讯裴炎。尽管很多大臣纷纷上奏营救裴炎，武则天都置之不理。十月将裴炎斩首于都亭驿前街。被杀前，有人曾劝裴炎，要他向御史大夫们说些好话，以免一死。裴炎慨叹说：“宰相下狱，焉有更全之理？”就这样，裴炎结束了一生。
裴炎一案，使那些多次营救过或为他说过好话的大臣，几乎都受到株连。凤阁侍郎胡元范，被流放到琼州（今海南岛）并死在那里。程务挺也被处决，纳言刘齐贤被贬为吉州长史、郭待举由礼部侍郎贬为岳州刺史。裴炎一生中也做过一些很不光彩的事。开耀元年（公元681 年），裴行俭任定襄道大总管，他在讨伐突厥入侵时，曾向投城的突厥将领阿史那伏念许以不死。但由于裴炎妒忌裴行俭之功，在奏书中歪曲事实-，使阿史那伏念被杀，开了杀降将的先例。
武则天死后，唐睿宗于公元710 年再次登帝位，能裴炎仍很怀念，追封他为益州大都督。
轶事典故
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。
人物评价
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。