裴炎生性寬厚，不苟言笑，後進入 弘文館就讀。他勤奮好學，同學出外遊玩時，仍苦讀不輟，並以學業未精爲由，拒絕官府的 徵辟。
裴炎在弘文館苦學十年，精研《 左傳》，後參加 科舉，考中明經科，被授爲濮州 司倉參軍，歷任御史、起居 舍人，累遷至黃門 侍郎。
擔任宰相
680年(調露二年)，裴炎升任 同中書門下三品，成爲宰相，後進拜侍中。682年(永淳元年)， 唐高宗前往 東都洛陽，命裴炎留守 長安，輔佐 皇太子李顯。
683年(永淳二年)，唐高宗病重，李顯赴洛陽 監國，命裴炎與 劉齊賢、 郭正一在東宮處理政務。十二月，高宗去世， 李顯即位，是爲唐中宗，任命裴炎爲中書令。
684年(光宅元年)正月，唐中宗打算封岳父 韋玄貞爲侍中，又欲任命乳母之子爲 五品官。裴炎對此極力反對，中宗負氣道：“我就算把國家讓給韋玄貞都沒什麼，何況區區一個侍中。”裴炎非常恐懼，便稟告 太后武則天，決定廢黜皇帝。武則天命裴炎與 中書侍郎劉禕之、羽林將軍 程務挺、張虔勖率軍入宮，宣佈廢黜皇帝的 懿旨，然後扶中宗下殿。中宗道：“我有什麼罪過?”武則天道：“你欲把天下讓給韋玄貞，怎能說無罪!”於是廢中宗爲 廬陵王，改立豫王 李旦爲帝，是爲唐睿宗。裴炎因 定策之功，被封爲河東 縣侯。
反對武氏
當時，唐睿宗雖是皇帝，朝廷大權仍掌握在武則天手中。 武承嗣請求立武氏 七廟，並追封祖先爲王。裴炎進諫道：“太后 母儀天下，不應偏私於親屬。難道太后忘記呂氏的敗亡嗎?”武則天道：“ 呂后將權力交給生者，因此失敗。現在我追尊死者，有什麼損害呢?”裴炎道：“應當 防微杜漸。”武則天很不高興，雖未立七廟，仍追尊父祖爲王。裴炎也因此得罪武則天。
後來，武承嗣認爲韓王 李元嘉、魯王 李靈夔是皇帝叔祖，地位崇高，便勸武則天藉故將其誅殺。武則天詢問宰相的意見， 劉禕之、 韋思謙都一言不發，只有裴炎極力反對。武則天對此更不高興。
被殺
同年九月， 徐敬業在 揚州起兵反武。裴炎趁機道：“天子已經成人，卻沒有 親政，才讓小人有造反的藉口。如果把朝政還給天子，叛軍不用討伐便會解散。”御史 崔詧道：“裴炎是 顧命大臣，聽到叛亂，卻不願征討，只是讓太后還政，一定是有異心。”武則天於是將裴炎關入 詔獄，命御史大夫 騫味道、御史魚承曄審問。
裴炎入獄後，不肯委曲求全，道：“宰相入獄，哪有能保全的道理!” 鳳閣侍郎胡元範對武則天道：“裴炎是社稷之臣，有功於國，忠於皇帝，天下皆知，我敢證明他不會謀反。” 納言劉齊賢、左衛率 蔣儼都爲裴炎辯護。武則天道：“裴炎有造反的意圖，只是你們不知道而已。” 胡元範、劉齊賢都道：“如果裴炎所爲是造反，那我們也是造反。”武則天道：“朕知道裴炎造反，你們不是造反。”
不久，裴炎被斬殺在洛陽都亭。他對兄弟們道：“你們的官職都是自己取得的，我沒出什麼力，現在卻因我而被流放，豈不令人悲痛!” 裴炎死後，爲他申辯過的官員相繼獲罪。宰相劉齊賢被貶爲 吉州(在今 江西) 長史，胡元範被流放 瓊州(今 海南)， 郭待舉貶爲 嶽州(在今 湖南) 刺史，程務挺也被斬殺于軍中。
710年(景雲元年)，唐睿宗復位，追贈裴炎爲太尉、 益州大都督，諡號爲忠。
2軼事典故
裴行儉征討 突厥時，曾許諾投降不殺， 阿史那伏念等人因此投降唐軍。不料，裴炎卻嫉妒裴行儉的功勞，以“窘急而降”爲由，將阿史那伏念等五十四人斬於都市。裴炎斬殺降將，使國家喪失信譽，後來被殺，人們都認爲是陰禍的報應。
3人物評價
劉素：炎居中執權，親授顧託，未盡匡救之節，遽行 伊霍之謀， 神器假人，爲獸傅翼，其不免也宜哉!
劉昫：裴炎位居 相輔，時屬艱難，歷覽前蹤，非無忠節。但見遲而慮淺，又遭命以會時。何者，當是時，高宗 晏駕尚新，武氏革命未見，炎也唯慮中宗之過失，是其淺也;不見太后之 苞藏，是其遲也。及乎承嗣請封 祖禰，三思勸殺 宗親，然後徒有 諫章，何嘗濟事，是辜遺託，豈痛伏誅。時論則然，遲淺須信。況聞睹構逆則示其閒暇，俾殺降則彰彼猜嫌，小數有餘，大度何足，又其驗也。
宋祁：異乎，炎之暗於幾也!知中宗之不君，不知武后之盜朝，假虎翼而責其搏人，死固宜哉!
張燧：母后臨朝，如呂氏、武則天，此國家大變也。 王陵、裴炎迎禍亂之鋒，欲以一言折之，故不廢則死。 陳平、 狄仁傑待其已衰而徐正之，故身與國俱全。
蔡東藩：中宗欲以天下與韋玄貞，無非是一恨語，不得作爲實談，裴炎果忠於事君，何妨委曲調護，今日不從，期諸他日，詎必急白太后，密謀廢立耶?炎只知有武氏，不知有中宗，而其後卒爲諸武所傾，梟首都亭，是何若強諫中宗，誓死廷前之爲愈也。
