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。
担任宰相
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。
反对武氏
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。
被杀
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。
2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。
3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。
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