早年经历
李旦是唐高宗与武则天所生第四子，初名李轮（李旭轮），出生不久便被封为殷王，遥领冀州大都督、单于大都护、右金吾卫大将军。他在兄弟中排行最小，因而深受父亲唐高宗的宠爱。

李轮成年后，谦恭好学，精通书法，对文字训诂方面的学问很有研究。他担任右卫大将军、洛州牧，历封豫王、冀王、相王。

永淳二年（683年），李轮改名为李旦，被再次封为豫王。

傀儡皇帝
嗣圣元年（684年），武则天废皇帝李显为庐陵王，改立李旦为皇帝，并临朝称制，裁决一切政事。她以李旦的名义改年号为文明，册封正妃刘氏为皇后、长子李成器为皇太子。而后，李旦便被软禁在皇宫中，不得预闻政事，开始了傀儡皇帝的生活。他不但不能随意出入宫廷，甚至在皇宫中也不能自由行动。当时，英国公徐敬业在扬州起兵发对武则天。宰相裴炎趁机请武则天还政于李旦，结果被武则天以谋反罪名斩首。武则天派三十万大军镇压扬州叛乱，徐敬业兵败被杀。

垂拱二年（686年）正月，武则天下诏，表示要还政于皇帝。李旦知道这是母后在试探于他，便数次上表，极力推辞，请求母后继续临朝。武则天遂顺水推舟，“接受”了李旦的请求，依旧临朝称制，把持朝政。

垂拱四年（688年），武承嗣将一块刻有“圣母临人，永昌帝业”八字的白石献给武则天，声称是在洛水中发现的。武则天大喜，将白石命名为“宝图”（后改称“天授圣图”），又加尊号为圣母神皇。李旦作为皇帝，不但无法阻止，还要随武则天亲临洛水，参加“拜洛受图”大典。当时，琅琊王李冲、越王李贞起兵发对武则天，结果都兵败身死。韩王李元嘉、鲁王李灵夔、霍王李元轨、纪王李慎、江都王李绪、黄国公李撰、东莞郡公李融、常乐公主等，或被逼自杀，或斩首市曹，或死于流放途中。李唐宗室几乎被杀戮殆尽。

艰难皇嗣
天授元年（690年），侍御史傅游艺率关中百姓九百人上表朝廷，请武则天称帝。百官、宗室、外戚、四夷酋长，乃至僧尼、道士，纷纷劝进。李旦迫于形势，也上表请母后称帝，并求赐武姓。是年九月，武则天正式称帝，尊号圣神皇帝，改国号为周，史称武周。李旦被降为皇嗣，赐姓武氏，迁居东宫，一切礼仪皆比照皇太子规格。太子李成器则降称皇孙。自此，李旦成为了武氏诸王以及酷吏的攻击目标，开始了艰难的皇嗣生涯。

天授二年（691年），魏王武承嗣的亲信张嘉福唆使洛阳百姓王庆之，纠集数百民众，诣阙上表，以“神不歆非类，民不祀非族”为由，请武则天废黜李旦的皇嗣身份，改立武承嗣为皇太子。宰相岑长倩、格辅元反对变易皇嗣，被武承嗣诬以谋反，下狱被杀。凤阁侍郎李昭德不但杖毙王庆之，还借机劝谏武则天，保住了李旦的皇嗣之位。但后来，武则天在万象神宫举行祭祀典礼，竟不顾“皇太子为亚献”的礼制，避开了皇嗣李旦，改由武承嗣为亚献，并命梁王武三思为终献

长寿二年（693年），武则天的宠婢韦团儿因引诱李旦被拒，怀恨报复，诬告皇嗣妃刘氏、德妃窦氏用巫蛊之术诅咒武则天。武则天将刘妃、窦妃秘密处死，埋在宫中。李旦对于两个妃子的失踪，丝毫不敢提及，在武则天面前也表现得泰然自若，仿佛什么都没有发生过。韦团儿还想加害李旦，结果遭到告发而被处死。不久，尚方监裴匪躬、内常侍范云仙因私下谒见李旦被杀。武则天又剥夺了李旦接见公卿百官的权力。

后来，李旦又被诬告谋反，武则天命酷吏来俊臣审理。来俊臣对东宫属官刑讯逼供，让他们“招出”李旦谋反的实情。乐工安金藏当众剖腹，以表明皇嗣没有谋反。武则天深受感动，不再怀疑李旦，命来俊臣停止审理。李旦因此而幸免于难。

安国相王
圣历元年（698年），武则天在狄仁杰、王方庆等大臣的劝说下，决定将政权归还给李氏。她命人前往房州，将庐陵王李显接回洛阳。李旦数次称病不朝，请求将储君之位让于李显。是年九月，武则天复立李显为皇太子。

圣历二年（699年），李旦被复封为相王，兼领太子右卫率，后又遥领安北大都护。当时，武则天为了调解李氏与武氏的矛盾，召集两族子弟，在明堂盟誓，要两族和睦共处。李旦作为李氏代表，与李显、太平公主一同参与了盟誓。

长安元年（701年），突厥默啜可汗率军南侵。李旦被任命为天兵道元帅，统率诸军抵御突厥。他并未领军出征，只是名义上的唐军主帅。不久，突厥退兵，李旦又担任左、右羽林卫大将军。

长安二年（702年），突厥进犯并州。李旦被任命为并州牧，并充任安北道行军元帅。后来，李旦又改任雍州牧。

神龙元年（705年），宰相张柬之、崔玄暐等人发动神龙政变，诛杀武则天的面首张易之、张昌宗，逼武则天禅位于李显，是为唐中宗。当时，李旦统率南衙禁军，捕获韦承庆、崔神庆等张氏党羽，因功被拜为太尉、同凤阁鸾台三品，以宰相身份参预国政，并加号安国相王。不久，李旦辞去太尉及知政事之职。唐中宗又欲立李旦为皇太弟，但却被其拒绝。

政变登基
主词条：韦后之乱、唐隆政变

景龙四年（710年）六月，唐中宗驾崩（传说是被韦皇后毒杀）。韦皇后立温王李重茂为皇帝，改元唐隆，以皇太后的身份临朝摄政。她派亲信控制南北衙禁军以及尚书省诸司，大肆网罗党羽，准备效法武则天，篡夺唐室江山。当时，李旦作为皇帝的叔父，被拜为太尉，与太平公主成为韦后夺位的主要障碍。韦党决意将二人置于死地。而李旦第三子李隆基则在京师暗中招揽豪杰，与太平公主密谋匡扶社稷。兵部侍郎崔日用本是韦氏一党，因惧祸将韦氏阴谋密报给李隆基。

六月二十日，李隆基在葛福顺、李仙凫等禁军将领的协助下，打着“诛诸韦以复社稷，立相王以安天下”的旗号，抢先发动兵变，杀死韦皇后、安乐公主及其党羽，而后迎李旦入宫辅佐少帝。李旦携李重茂登上安福门，安抚百姓。当时，李隆基被拜为宰相，进封平王，并统率万骑禁军，控制了皇城内外。李重茂迫于形势，请求让位于叔父李旦。李旦起初极力推辞，后听从李隆基、李成器等人的劝说，接受了李重茂的让位。

六月二十四日，李旦在太极殿登基，第二次即位为帝。他登上承天门，宣布大赦天下，改元景云，复封李重茂为温王。当时，李隆基建有大功，而李成器则是嫡长子，都有被立为太子的资格。李旦为此犹豫不决。李成器以“国家安则先嫡长，国家危则先有功”为由，主动辞让太子之位。刘幽求等政变功臣也大都支持李隆基。李旦遂立李隆基为皇太子。

内禅退位
李隆基被立为太子后，政治势力日益增长，成为太平公主干预朝政的主要障碍。太平公主为了长保权势，便想更易太子，于是在朝野散布流言，声称李隆基并非皇帝嫡长子，没有被立为太子的资格，但因李旦公开宣谕平息流言，未能得逞。她还在李隆基左右安插耳目，监视他的日常行为，并与窦怀贞等大臣结为朋党，密谋加害李隆基。后来，太平公主与李隆基的矛盾逐渐公开化。她甚至将宰相邀截在宣政殿光范门内，暗示他们应当劝皇帝改立太子，遭到宋璟的严词拒绝。

景云二年（711年），李旦听从宰相姚崇、宋璟、张说的建议，命李隆基监国，并将可能威胁到太子地位的李成器等诸王全部削去兵权，同时让太平公主迁居蒲州（今山西永济）。但太平公主却到李旦面前哭诉，不但留在了京中，还将姚崇、宋璟贬出了朝廷。后来，李旦又欲传位给太子，虽在群臣的谏阻下未能如愿，但却将政务全部交给李隆基处理，自己仅掌握军务、死刑的处决权，以及五品以上官员的任免权。

先天元年（712年）八月，李旦因彗星出现，禅位于太子李隆基，退为太上皇，但仍掌握三品以上官员的任命权以及重大刑案的裁决权。他每五日在太极殿接受群臣的朝贺，仍旧自称为朕。而皇帝李隆基则只能自称为“予”。当时，太平公主依仗李旦的信任，在朝中仍拥有强大的势力，七位宰相有五人出自她的门下，文武百官也大都依附于她。她公然提出要废掉皇帝，因宰相陆象先反对而未遂。后来，李旦有意遣皇帝李隆基出京巡边，但最终却因故延期，将日期改为明年八月。

先天二年（713年）七月，李隆基为夺回皇帝应有的权力，抢先发动先天政变，率羽林军袭杀窦怀贞、萧至忠、岑羲等太平公主党羽，随后赐死太平公主。李旦初闻变乱，与宰相郭元振登承天门避乱。他得知李隆基已扑灭太平公主的势力，遂下诏宣布窦怀贞等人的罪状，而后正式归政于皇帝，退居百福殿，颐养天年。至此，李隆基终于掌握了全部朝政。

晚年病逝
开元四年（716年）六月，李旦在百福殿病逝，终年五十五岁。是年十月，李旦被葬于桥陵（在今渭南丰山），庙号睿宗，追谥大圣贞皇帝（《新唐书》作大圣真皇帝）。

天宝八载（749年），李旦被改谥为玄真大圣皇帝。

天宝十三载（754年），李旦又增谥为玄真大圣大兴孝皇帝。