孝哀皇帝，乃是汉元帝的庶孙，定陶恭王的儿子，他母亲是丁姬。这孝哀皇帝三岁的时候就继承了定陶王的王位，长大后特别喜欢文辞和法律。元延四年，他进京朝见天子，把自己封国里的傅、相、中尉全都带上了。当时，汉成帝年纪最小的弟弟中山孝王也来朝见，却只带了傅这一个随从。汉成帝就觉得奇怪，问定陶王这是咋回事。定陶王回答说：“按照法令，诸侯王朝见天子，可以带上自己封国里食禄二千石的官员。傅、相、中尉在封国里都是二千石的大官，所以我就全带上了。”汉成帝又让定陶王诵读《诗》，他不仅通读熟悉，还能说出其中的道理。过了些日子，汉成帝又问中山孝王：“只带傅一个人，这是依据哪条法令呢？”中山孝王答不上来。让他诵读《尚书》，也是磕磕绊绊的。等到在天子面前赐食，中山孝王比别人后吃完，起身离开时，连袜子的带子都散开了也没察觉。汉成帝就觉得中山孝王没什么才能，反而认为定陶王很贤能，还多次称赞他的才华。
当时，定陶王的祖母傅太后跟着他一起来朝见，私底下贿赂了汉成帝宠爱的赵昭仪，还有成帝的舅舅骠骑将军曲阳侯王根。赵昭仪和王根见成帝没有儿子，也想提前给自己找个依靠，为长远打算，就都在成帝面前夸赞定陶王，劝成帝立他为继承人。成帝自己也觉得定陶王有才华，就给他举行了加冠礼，然后送他回封国，那时定陶王十七岁。
第二年，成帝派执金吾任宏暂代大鸿胪，拿着符节去征召定陶王，立他为皇太子。定陶王推辞说：“我有幸继承父亲的王位，做了诸侯王，可我的才能实在不够格当太子。陛下圣德宽仁，敬承祖宗，顺应神祇，理应得到子孙千亿的福报。我希望能先留在京城的藩国官邸，早晚侍奉陛下，问候起居。等陛下有了皇子，我就回到封国去继续做诸侯王。”他把这想法写成奏章呈上，天子看了，知道了他的心意。过了一个多月，成帝立楚孝王的孙子刘景为定陶王，让他供奉定陶恭王的祭祀，这是为了鼓励太子专心做好皇位继承人的本分，这些事在《外戚传》里有记载。
绥和二年三月，汉成帝驾崩。四月丙午，太子登上皇帝之位，拜谒高庙。尊称皇太后为太皇太后，皇后为皇太后。然后大赦天下，赐给有皇族血统的宗室王子每人四匹马，普通官吏和百姓也有爵位，每百户赐牛和酒，三老、孝悌、力田以及鳏夫、寡妇、孤儿、无依无靠的老人都赐给布帛。太皇太后下诏书，尊称定陶恭王为恭皇。
五月丙戌，立皇后傅氏。皇帝下诏说：“《春秋》里讲‘母以子贵’，现在尊定陶太后为恭皇太后，丁姬为恭皇后，给她们各自设置左右詹事，食邑就和长信宫、中宫一样。”又追尊傅太后的父亲为崇祖侯，丁姬的父亲为褒德侯。封舅舅丁明为阳安侯，舅舅丁满为平周侯。追谥丁满的父亲丁忠为平周怀侯，皇后的父亲傅晏为孔乡侯，皇太后的弟弟侍中光禄大夫赵钦为新成侯。
六月，皇帝下诏说：“郑地的音乐过于淫靡，会扰乱雅乐，这是圣王所摒弃的，把乐府给撤了吧。”
曲阳侯王根之前因为在立社稷的事情上出谋划策，又给他加封二千户。太仆安阳侯王舜以前辅导皇帝有恩情，加封五百户，还有丞相孔光、大司空汜乡侯何武，也各加封千户。
皇帝下诏说：“河间王刘良为太后守丧三年，堪称宗室的表率，给他加封万户。”
又说：“制定礼仪、谨守法度，以此防止奢侈淫靡，这是治理国家首先要做的，是历代帝王都不会改变的道理。可现在诸侯王、列侯、公主、二千石的官吏，还有那些富豪大户，养了太多奴婢，田宅也没有限制，和老百姓争利，搞得百姓失去生计，困苦不堪。得商量出个限制的办法来。”有关部门上奏说：“诸王、列侯在自己的封国里占田，列侯在长安以及公主在县道上占田，关内侯、官吏和百姓占田，都不能超过三十顷。诸侯王可以拥有奴婢二百人，列侯、公主一百人，关内侯、官吏和百姓三十人。六十岁以上，十岁以下的奴婢，不在这个数目限制里。商人都不能占田，也不能当官，违反的按法律论处。那些占田、畜养奴婢超过规定的，全都没收归官府。齐地负责制作皇室三种礼服的官署，还有其他官署织造的绮绣等难以制作、又耗费女工的东西，全都停止，不用再制作和进贡。废除任子令和诽谤诋欺法。掖庭里三十岁以下的宫女，让她们出嫁。官奴婢五十岁以上的，免为平民。禁止各郡国再进献珍稀野兽。给三百石以下的官吏增加俸禄。考察那些残暴酷虐的官吏，及时罢免。有关部门不能再检举赦免以前的事。博士弟子的父母去世，给他们三年的丧假。”
这年秋天，曲阳侯王根、成都侯王况都犯了罪，王根回到封国，王况被免为平民，回到老家所在的郡。
皇帝下诏说：“我承担着宗庙社稷的重任，每日战战兢兢，就怕违背了上天的心意。近来日月无光，五星运行失常，各个郡国频繁发生地震。不久前河南郡、颍川郡发大水，洪水冲走淹死百姓，冲毁房屋。都是因为我德行不够，百姓反而遭受灾祸，我心里十分惶恐。已经派光禄大夫去巡视灾情、登记受灾情况，赐给每个死去的人三千钱作为棺木钱。下令让遭受水灾的县邑，以及其他郡国受灾损失达到十分之四以上，百姓财产不满十万的，全都不用缴纳今年的租赋。”
建平元年春季正月，大赦天下。侍中骑都尉新成侯赵钦、成阳侯赵欣都犯了罪，被免为平民，流放到辽西。
太皇太后下诏，把外戚王氏家族除了祖坟以外的田地，都分给贫苦百姓。
二月，皇帝下诏说：“听说圣明君主治理国家，把得到贤才当作首要任务。命大司马、列侯、将军、中二千石官员、州牧、郡守、国相，各自推举一位孝顺父母、敬爱兄长、忠厚老实、能直言进谏、通晓政事，出身卑微却能亲近百姓的人。”
三月，赐给诸侯王、公主、列侯、丞相、将军、中二千石官员、中都官、郎吏金银、钱币、布帛，赏赐的数量各有差别。
冬季，中山孝王太后冯媛、弟弟宜乡侯冯参犯了罪，都自杀了。
建平二年春季三月，撤销大司空这一官职，恢复御史大夫。
夏季四月，皇帝下诏说：“汉朝的制度，是推崇亲近亲人来彰显尊重尊贵之人。定陶恭皇的名号不应再称定陶。尊恭皇太后为帝太太后，居住在永信宫；恭皇后为帝太后，居住在中安宫。在京师建立恭皇庙。赦免天下囚犯。”
撤销州牧，恢复刺史。
六月庚申日，帝太后丁氏去世。皇帝说：“我听说夫妇是一体的。《诗经》里讲：‘活着的时候不在同一个屋子，死后要葬在同一个墓穴。’从前季武子建成住宅，杜氏的灵柩停放在西阶下，请求合葬，季武子答应了。附葬的礼仪，从周朝就开始兴起了。‘多么丰富繁盛又有文采啊！我遵从周朝的礼仪。’孝子侍奉死去的亲人就如同他们还活着一样。帝太后应该在恭皇的陵园里修建陵墓。”于是把帝太后葬在定陶。征发陈留、济阴等临近郡国五万人挖掘墓穴、覆土。
待诏夏贺良等人进言说赤精子的谶语，称汉朝的国运中途衰落，应当再次接受天命，应该改年号、换帝号。皇帝下诏说：“汉朝建立二百年，经历了许多岁月后开启新的纪元。皇天降下非凡的庇佑，汉朝再次获得受命的符兆，我虽德行不足，怎敢不顺从！开启新的天命，一定要与天下人一同革新，现在大赦天下。把建平二年改为太初元将元年。帝号为陈圣刘太平皇帝。把漏刻的刻度改为一百二十度。”
七月，把渭城西北原上永陵亭一带作为初陵。不迁徙郡国的百姓，让他们能够安居乐业。
八月，皇帝下诏说：“待诏夏贺良等人建议改年号、换帝号，增加漏刻刻度，就可以使国家永远安宁。我误听了夏贺良等人的话，希望能为天下百姓获得福祉，最终却没有好的应验。这些建议都违背经典、背离古制，不合时宜。六月甲子日发布的制书，除了赦令以外的内容都予以废除。夏贺良等人违背正道、迷惑众人，交给有关部门处置。”他们都受到了应有的惩罚。
丞相朱博、御史大夫赵玄、孔乡侯傅晏犯了罪。朱博自杀，赵玄被减罪二等论处，傅晏被削减封户四分之一。这些事在《朱博传》中有记载。
建平三年春季正月，立广德夷王的弟弟刘广汉为广平王。
癸卯日，帝太太后居住的桂宫正殿失火。
三月己酉日，丞相王嘉去世。有彗星出现在河鼓星附近。
夏季六月，立鲁顷王的儿子郚乡侯刘闵为鲁王。
冬季十一月壬子日，恢复在甘泉泰畤祭祀天神、在汾阴祭祀地神，停止在长安南郊祭天、北郊祭地。
东平王刘云、刘云的王后谒、安成恭侯夫人放都犯了罪。刘云自杀，谒和放被押赴闹市斩首示众。
建平四年春天，发生大旱。关东地区的百姓互相传递西王母的筹策，途经各个郡国，向西进入函谷关来到京城。百姓还聚集在一起祭祀西王母，有的人夜里拿着火把爬上屋顶，击鼓呼喊，相互惊吓。
二月，封帝太太后的堂弟、侍中傅商为汝昌侯，封太后同母弟弟的儿子、侍中郑业为阳信侯。
三月，侍中驸马都尉董贤、光禄大夫息夫躬、南阳太守孙宠，都因为告发东平王的事被封为列侯。这些事在《董贤传》中有记载。
夏季五月，赐给中二千石到六百石的官员以及天下男子爵位。
六月，尊帝太太后为皇太太后。
秋季八月，恭皇陵园的北门发生火灾。
冬天，下诏让将军、中二千石官员举荐精通兵法、有深谋远虑的人。
元寿元年春季正月辛丑初一，发生日食。皇帝下诏说：“我得以保有宗庙社稷，却不聪明、不敏锐，日夜忧虑操劳，没有片刻安宁。只因阴阳失调，百姓生活困苦，我却没能找到其中的祸根。多次告诫公卿大臣，期望能有改善。可到现在有关部门执法，仍不得要领，有的官员暴虐无道，借助权势获取名声，而温良宽柔的人，却陷入绝境。所以残暴的风气愈发滋长，和睦的氛围日益衰败，百姓忧愁怨恨，无所适从。就在正月初一，发生了日食，灾祸离我不远，责任都在我一人身上。公卿大夫们要各自尽心竭力，率领百官，任用仁人志士，罢黜疏远残暴之人，以期让百姓安定。指出我的过失，不要有所忌讳。与将军、列侯、中二千石官员一起，各举荐一位贤良方正、能直言进谏的人。大赦天下。”
丁巳日，皇太太后傅氏去世。
三月，丞相王嘉犯了罪，被关进监狱后死去。
秋季九月，大司马骠骑将军丁明被免职。
孝元庙殿门的铜龟蛇铺首发出声响。
元寿二年春季正月，匈奴单于、乌孙大昆弥前来朝见。二月，他们回国，单于心中不快。这些事在《匈奴传》中有记载。
夏季四月壬辰日是月末，发生日食。
五月，确定三公官职的职责。任命大司马卫将军董贤为大司马，丞相孔光为大司徒，御史大夫彭宣为大司空，封彭宣为长平侯。确定司直、司隶的职责，设立司寇的职务，但事情还没有最终确定。
六月戊午日，皇帝在未央宫驾崩。秋季九月壬寅日，葬于义陵。
史官评论道：孝哀皇帝在做藩王以及身为太子的时候，文辞渊博敏捷，年幼时就有美好的声誉。看到孝成皇帝时朝廷的禄位被外戚把持，权力向外转移，所以在位时多次诛杀大臣，想要加强君主的威严，效仿汉武帝、汉宣帝。他天性不喜好声色，时常观看射箭、比武等游戏。即位后身体残疾，末年病情愈发严重，在位时间不长，实在是悲哀啊！