孝謙天皇
皇太子
聖武天皇と光明皇后の間にはついに男子が育たず（基王は早世）、阿倍内親王のみであった。聖武天皇と県犬養広刀自との間には安積親王が生まれたが、後ろ盾を持たなかったため即位は望み薄であり、天平10年1月13日（738年2月6日）に阿倍内親王が立太子し、史上唯一の女性皇太子となった。天平15年（743年）5月5日には元正上皇の御前で五節舞を披露している。
天平17年（744年）に安積親王が没し、聖武天皇の皇子はいなくなった。直後に聖武天皇が倒れて重態に陥った際、橘奈良麻呂は「皇嗣（皇位継承者）が立っていない」と黄文王を擁立する動きを見せている。当時の女帝は全て独身（未婚か未亡人）であり、阿倍内親王が即位してもその次の皇位継承の見通しが立たず、彼女に代わる天皇を求める動きが彼女の崩御後まで続くことになった。
孝謙天皇としての治世
天平勝宝元年（749年）に父・聖武天皇の譲位により即位した。治世の前期は皇太后（光明皇后）が後見し、皇后宮を改組した紫微中台の長官で皇太后の甥にあたる藤原仲麻呂の勢力が急速に拡大した。天平勝宝8歳（756年）5月2日に父の聖武上皇が崩御し、新田部親王の子である道祖王を皇太子とする遺詔を残した。しかし翌天平勝宝9歳（757年）3月、孝謙天皇は皇太子にふさわしくない行動があるとして道祖王を廃し、自身の意向として舎人親王の子大炊王を新たな皇太子とした。この更迭劇には孝謙天皇と仲麻呂の意向が働いたものと考えられている。強まる仲麻呂の権勢にあせった橘奈良麻呂や大伴古麻呂らは、孝謙天皇を廃して新帝を擁立するクーデターを計画した。しかし事前に察知した仲麻呂により、関係者は同年5月に粛清された（橘奈良麻呂の乱）。以降仲麻呂の権勢はさらに強まった。
太上天皇時代
天平宝字2年（758年）8月1日、孝謙天皇は病気の光明皇太后に仕えることを理由に大炊王（淳仁天皇）に譲位し、太上天皇となる。この日、孝謙上皇には「宝字称徳孝謙皇帝」、光明皇太后には「天平応真仁正皇太后」の尊号が贈られている。また、尊称として孝謙上皇には「上䑓」、光明皇太后には「中䑓」が用いられているが、「上䑓」は中国南朝・隋・唐においては皇帝およびその機関に対する尊称であった。「皇帝」や「上䑓」の称号は政権担当者である藤原仲麻呂の単なる唐風趣味ではなく、新天皇の正当性の保証者としての役割を大炊王および仲麻呂から期待されていたとみられている。仲麻呂は大炊王から「藤原恵美朝臣」の姓と「押勝」の名が与えられ、藤原恵美押勝と称するようになり、貨幣鋳造権も与えられている。仲麻呂は官庁を唐風に改名する（官職の唐風改称）など、さらに権勢を振るうようになった。
天平宝字3年（759年）、光明皇太后が淳仁天皇の父・舎人親王に尊号を贈ることを提案した。淳仁天皇は孝謙上皇に相談すると、上皇は皇太后に対して辞退する奏上を行うよう助言をしている。結局、皇太后が再三説得し、舎人親王に「崇道尽敬皇帝」の尊号を贈ることになったが、このことは孝謙上皇の影響力の大きさを明示したものとなった。天平宝字4年（760年）1月4日、仲麻呂は太師（太政大臣）に任命されているが、その際も孝謙上皇が淳仁天皇や百官が同席する場で突然口頭でその旨を宣言し、淳仁天皇が追認の形で正式な任命手続を取った。孝謙上皇は律令上は大臣任命の権限はないものの淳仁天皇が直ちにそれを認めたことで、孝謙上皇の影響力の大きさを明示するとともに仲麻呂にとっても光明皇太后亡き後も上皇と天皇からの二重の信任を受けていることを明示する意味合いを持っていた。
天平宝字4年（760年）7月16日に光明皇太后が崩御すると、孝謙上皇と仲麻呂・淳仁天皇の関係は微妙なものとなった。同年8月に孝謙上皇・淳仁天皇らは小治田宮に移り、天平宝字5年（761年）には保良宮に移った。ここで病に伏せった孝謙上皇は、看病に当たった弓削氏の僧・道鏡を寵愛するようになった。天平宝字6年（762年）5月23日（6月23日）に淳仁天皇は平城宮に戻ったが、孝謙は平城京に入らず法華寺に住居を定めた。ここに「高野天皇、帝と隙あり」と続日本紀が記す孝謙上皇と淳仁天皇・仲麻呂の不和が表面化した。6月3日に孝謙上皇は五位以上の官人を呼び出し、淳仁天皇が不孝であることをもって仏門に入って別居することを表明し、さらに国家の大事である政務を自分が執ると宣言した。不和の原因は道鏡を除くよう淳仁天皇と仲麻呂が働きかけた事や、皇統の正嫡意識を持つ孝謙上皇が淳仁天皇に不満を持ったことなどあげられている。
天平宝字7年（763年）から天平宝字8年（764年）には道鏡や吉備真備といった孝謙派が要職に就く一方で、仲麻呂の子達が軍事的要職に就くなど、孝謙上皇と淳仁天皇・仲麻呂の勢力争いが水面下で続いた。
藤原仲麻呂の乱
天平宝字8年（764年）9月11日、仲麻呂が軍事準備を始めた事を察知した孝謙上皇は、山村王を派遣して淳仁天皇の元から軍事指揮権の象徴である鈴印を回収させた。これを奪還しようとした仲麻呂側との間で戦闘が起きたが、結局鈴印は孝謙上皇の元に渡り、仲麻呂は朝敵となった。仲麻呂は太政官印を奪取して近江国に逃走したが、9月13日に殺害された。
仲麻呂敗死の知らせが届いた9月14日には左遷されていた藤原豊成を右大臣とし、9月20日には道鏡を大臣禅師とした。さらに9月22日には仲麻呂によって変えられた官庁名を旧に復し、10月9日には淳仁天皇を廃して大炊親王とし、淡路公に封じて流刑とした。
重祚：称徳天皇としての治世
淳仁天皇の廃位によって孝謙上皇は事実上、皇位に復帰した。後世では孝謙上皇が重祚したとして、これ以降は称徳天皇と呼ばれる。日本史上唯一の、出家のままで即位した天皇である。以降、称徳天皇と道鏡による政権運営が6年間にわたって続く事になるが、皇太子はふさわしい人物が現れるまで決められない事とした。
天平神護元年（765年）に飢饉や和気王の謀叛事件が起きるなど、乱後の政情は不安定であった。同年10月に称徳天皇は道鏡の故郷である河内弓削寺に行幸した。この弓削行幸中に道鏡を太政大臣禅師に任じ、本来臣下には行われない群臣拝賀を道鏡に対して行わせた。またこの際の行宮を拡張し、由義宮の建設を開始している。一方でほぼ同じ時期に淡路で廃帝・淳仁が変死を遂げている。11月には天皇即位とともに行われる大嘗会を行ったが、本来参加しない僧侶が出席するという異例のものであった。ただし即位式は行われていない。またこの年には墾田永年私財法によって開墾が過熱したため、寺社を除いて一切の墾田私有を禁じている。
天平神護2年（766年）10月には海龍王寺で仏舎利が出現したとして、道鏡を法王とした。道鏡の下には法臣・法参議という僧侶の大臣が設置され、弓削御浄浄人が中納言となるなど道鏡の勢力が拡充された。一方で太政官の首席は左大臣・藤原永手であったが、吉備真備を右大臣に抜擢するなど異例ずくめであった。こうして称徳天皇＝道鏡の二頭体制が確立された。
称徳天皇は次々と大寺に行幸し、西大寺の拡張や西隆寺の造営、百万塔の製作を行うなど仏教重視の政策を推し進めた。一方で神社に対する保護政策も厚かったが、伊勢神宮や宇佐八幡宮内に神宮寺を建立するなど神仏習合がさらに進んだ。また神社の位階である神階制度も開始されている。一方で『続日本紀』では、政治と刑罰が厳しくささいなことで極刑が行われ、冤罪を産んだと評されている。神護景雲3年（769年）5月には称徳天皇の異母妹・不破内親王と氷上志計志麻呂が天皇を呪詛したとして、名を改めた上で流刑にされている。同じく称徳天皇の異母妹・井上内親王を妻としていた中納言・白壁王（後の光仁天皇）は天皇の嫉視を警戒し、酒に溺れた振りをして難を逃れようとしていた。
神護景雲3年（769年）、大宰府の主神（かんづかさ）中臣習宜阿曾麻呂が「道鏡が皇位に就くべし」との宇佐八幡宮の託宣を報じたとされた。これを確かめるべく、和気清麻呂を勅使として宇佐八幡宮に送ったが、清麻呂はこの託宣は虚偽であると復命した。これに怒った称徳天皇と天皇の地位を狙っていた道鏡は清麻呂を改名した上で因幡員外介として左遷し、さらに大隅国へ配流した（宇佐八幡宮神託事件）。10月から11月にかけては造営した由義宮に行幸し、同地を西京とする旨を宣した。神護景雲4年（770年）2月、称徳天皇は再び由義宮に行幸した。
死と後継
行幸翌月の3月なかばに発病し、病臥する事になる。このとき、看病の為に近づけたのは宮人（女官）の吉備由利（吉備真備の姉妹または娘）だけで、道鏡は崩御まで会うことはなかった。道鏡の権力はたちまち衰え、軍事指揮権は藤原永手や吉備真備ら太政官に奪われた。
8月4日、称徳天皇は平城宮西宮寝殿で崩御した。宝算53。
称徳天皇は生涯独身であり、子をなすこともなかった。『続日本紀』宝亀元年（770年）八月癸巳条によると、崩御にあたって藤原永手や藤原宿奈麻呂・吉備真備ら群臣が集まって評議し、白壁王を後継として指名する「遺宣」が発せられたという。白壁王は光仁天皇として即位する。
一方、『日本紀略』『扶桑略記』に引用された「藤原百川伝」によると、崩御後間もなく群臣が集まって評議し、吉備真備が文室大市もしくは文室浄三を推し、永手や宿奈麻呂・藤原百川は白壁王を推した。真備が自案に固執すると、永手らは白壁王を指名する称徳天皇の遺詔を読み上げた。このため白壁王が即位して光仁天皇となるが、この遺詔は偽造されたものであったという。
河内祥輔は『古代政治史における天皇制の論理』において、「藤原百川伝」の記述が『水鏡』に継承され、『大日本史』にも採用されたことから、吉備真備が出し抜かれた、藤原百川が暗躍したとされる経緯が一般的になったと指摘する。河内は百川が光仁擁立時は政治に参画する立場に無く、百川が暗躍したとする所説は桓武天皇の立太子の事情が誤って語られたものであると指摘。現在ではこの説が広く支持されている。
なお、道鏡は失脚して下野国薬師寺別当に左遷され、弓削浄人も土佐に流された。墾田私有も宝亀3年（772年）に再開されている。
陵・霊廟
陵（みささぎ）は、宮内庁により奈良県奈良市山陵町にある高野陵（たかののみささぎ、位置）に治定されている。宮内庁上の形式は前方後円。遺跡名は「佐紀高塚古墳」で、墳丘長127メートルの前方後円墳である。
ただし、本古墳は佐紀盾列古墳群を構成する前方後円墳であり、その比定は疑問視されている。
また皇居では、皇霊殿（宮中三殿の一つ）において他の歴代天皇・皇族とともに天皇の霊が祀られている。