延康元年（220）春，曹丕迁丞相，领冀州牧，袭魏王。曹丕字子桓，天资文藻，博闻强识，善弓马剑术。前面说过，灵帝熹平五年（176），沛国言黄龙见谯县，光禄大夫桥玄问太史令单飏：“此何祥也？”单飏说：“其国后当有王者兴，不及五十年，亦当复见。天事恒象，此其应也。”桥玄遂认为曹操将是安定乱世的命世之才，并以家室相托。是岁距单飏之说四十五年，果又言黄龙见谯县。曹丕遂图谋代汉之事。东汉盛行图谶，谓龙为君象。刘备、孙权称尊皆以黄龙等出现为符瑞。夏，魏吴发生冲突，曹丕从邺县出兵南征。中郎将霍性上疏谏曰：“今始创基，便复起兵，兵者凶器，必有凶扰，扰则思乱，乱出不意。诚愿大王深谋远虑。”（《三国志·文帝纪》注引《魏略》）曹丕怒其愚腐，杀之。秋至冬，因孙权又遣使称臣，曹丕经谯临淮而返，最后停驻许都西颍阴县界。他是借机出征，实欲逼迫献帝退位。
　　太史丞许芝向曹丕条呈魏当代汉的谶纬曰：“黄龙见，此帝王受命之符瑞最著明者也。《春秋玉版谶》曰：‘代赤者魏公子。’《春秋佐助期》曰：‘汉以许昌失天下。’故白马令李云上事曰：‘许昌气见于当途高，当途高者当昌于许。’当途高者，魏也；魏者，两观阙是也；当道而高大者魏。魏当代汉。今魏基昌于许，汉征绝于许，乃今效见。……”（《三国志·文帝纪》注引《献帝传》）群臣纷纷上书，表示拥戴。曹丕是在以武力为后盾，炮制理论根据。这是三个主要的流行的谶纬：黄龙出现，此魏当代汉者一。按五行说，汉为火德，魏为土德，赤火焚尽化为黄土，此魏当代汉者二。李云桓帝时坐直谏死。安帝、顺帝时，广汉人杨厚精通图谶之术，常被征召出消救灾异之法，弟子董扶、任安、周舒等皆有名。有人问周舒曰：“《春秋谶》曰‘代汉者当途高’，此何谓也？”周舒曰：“当途高者，魏也。”（《三国志·周群传》）此语遂私传。任安弟子杜琼解释此语曰：“魏，阙名也，当途而高，圣人取类而言耳。”（《三国志·杜琼传》）这些谶语是说：汉将以许县昌盛而亡，当途高者则将以许县昌盛而代汉。代汉者当途高，即代汉者为道路中的高物。皇宫门前两旁供观望和发布政令的巍然建筑称阙，因巍同魏而又称魏阙，或单称魏。此魏当代汉者三。袁术在“代汉者当途高”中找到了“途”同于其字公路之“路”的解释，自以为当之，便据为僭号的一个符瑞。曹操迁献帝都许县，据魏郡为基，建筑铜雀台，称魏公、魏王，大概就是在按图谶索骥，以求登基。
　　献帝已经习知权力更迭之事，自己尚能苟安，则继续恭敬曹氏为桓文，历数已尽，可仿效尧舜，可别不识天命，去步桀纣的后尘。见曹丕陈兵问鼎，献帝知道末日已到，于是召三公九卿，告祠祖庙，然后向曹丕下禅位册诏曰：“昔帝尧禅位于舜，舜亦以命禹，天命不于常，惟归有德。汉道陵迟，宇内颠覆，赖武王神武，清定区夏，保乂皇家。今魏王钦承前绪，光于乃德，恢文武之大业，昭尔考之弘烈。皇灵降瑞，人神告征，追踵尧典，敬逊尔位。”（《三国志·文帝纪》及注引《汉纪》、《献帝传》）曹丕辞让三四乃受禅即位，易汉为魏；谥父曹操为太祖武德皇帝，曹操终于在死后登上帝位；以河内山阳县万户奉献帝为山阳公，位在诸侯王上，上书不称臣，受诏不拜，以天子之礼郊祭。魏明帝青龙二年（234），山阳公死，谥孝献皇帝。曹操、曹丕父子如猫戏鼠玩弄献帝，未想传世二三，便被司马氏鹰隼叼鸡尽捕其后。
　　黄初元年（220）冬，曹丕迁都洛阳，解九州，对官爵、郡县多所改易。二年（221）春，改许县为许昌。以长安、洛阳、许昌、邺县、谯县为五都。
　　曹操执政时，已罢阉人为重官。曹丕称帝后，又禁后族亲政。可以说，曹氏父子基本铲除了宦官、外戚得势妄为的现象，但是，他们并未能妥善解决集权与分封、集权与专制这些政治制度问题，或者说他们最后明显倾向的仍是集权专制（注一）。
　　秦汉以集权专制替代了周朝的分封制，开后代王朝集权专制的先河，分封制则往往徒具虚名。集权专制利于国家统一治理，利于帝王个人意志畅行无阻，但会使社会僵化停滞，腐败衰落；分封利于诸侯自治、竞争，利于贤才俊杰展现能识，但会使社会动荡不安，战乱频仍。
　　曹丕继续削弱分封的动机与汉帝没什么两样，就是要避免宗亲垂涎王权。在他看来，曹彰、曹植等已对王权构成了巨大的威胁。曹丕、曹彰、曹植、曹熊依次为曹操卞皇后所生，曹熊早卒。
　　曹植字子建，出言为论，下笔成章，曹操甚宠之，建安十六年（211），封平原侯，十九年（214），徙封临菑侯。曹操南征，曾使其留守邺县，有立嗣之意。曹植以丁仪、丁廙、杨修等为羽翼，日渐任性傲慢。曹操狐疑，虑及袁绍、刘表废嫡立庶之变，终立曹丕，并诛杨修。曹彰字子文，酷尚武功，志为猛将，二十一年（216），封鄢陵侯。代郡乌桓反，曹彰为将平之。时曹操与刘备争汉中，召曹彰至。曹操撤兵东还，留之长安。曹操至洛阳得疾，召之。曹彰至，曹操已病逝。谏议大夫贾逵典丧事，曹彰问：“先王玺绶何在？”贾逵曰：“太子在邺，国有储副。先王玺绶，非君侯所宜问也。”（《三国志·贾逵传》）遂奉梓宫还邺。曹彰谓曹植曰：“先王召我，欲立汝也。”曹植曰：“不可，不见袁氏兄弟乎！”（《三国志·曹彰传》注引《魏略》）《三国志·陈矫传》曰：陈矫随曹操征汉中，还为尚书。行前未到邺，曹操崩洛阳，群臣拘常，以为太子即位，当需诏命。陈矫曰：“王薨于外，天下惶惧。太子宜割哀即位，以系远近之望。且又爱子在侧，彼此生变，则社稷危矣。”即具官备礼，一日皆办。明旦，以王后令，策太子即位。据此看来，曹操按理临终应该留下策命曹丕嗣王的诏书，但他没有留，而是独召曹彰到身边，曹操叫曹彰必有用意，要么是欲改嗣，要么是欲曹彰助曹丕，以防不测，要么是欲与曹彰相商后再定夺。曹彰不得旨，自忖生争心。贾逵、陈矫坚持立嫡，曹丕如愿以偿。曹丕即王位，即遣曹彰、曹植等归藩，诛丁仪、丁廙。
　　黄初二年（221），监国谒者奏曹植醉酒悖慢，劫胁使者。曹丕欲治其死罪，因太后不允，而贬爵为安乡侯，不久改封鄄城侯。三年（222），曹丕立诸侯王，曹彰为任城王，曹植为鄄城王。四年（223），曹彰、曹植等朝京都，曹丕仍记恨二人，迟迟不见。曹彰忿怒暴卒；《世说新语·尤悔》说为曹丕毒害。曹丕统治时期，诸侯封国有名无实，且法禁严切。宗王封地由一郡减为一县，任庸才为官吏，给老兵百余人以为守卫；使远隔在外，限止进京朝见及相互通往；设监国谒者之官以监察言行，随时上报。曹植多次上疏，悔过自新，冀望试录，但终不能得。曹丕死后，曹植又数向曹睿上疏，伤感孤寂，恳求被征。曹睿优文答报，略宽法禁，复宗王封地为一郡，允许宗亲走动，但依然不用之。曹睿初即位，亲往长安以拒蜀军侵犯，洛阳讹言其崩，群臣几迎曹植，故对其还要加以提防。曹植欲效犬马之劳，但终为笼中鸟，太和六年（232），积郁成疾而死。
　　曹操共生有二十五子，近半数夭折。刘氏所生长子曹昂死后，卞氏所生曹丕、曹彰、曹植及环氏所生曹冲等便最为重要。曹冲五六岁时，孙权送致大象，曹操欲知斤重，群下莫能解。曹冲曰，置象船上，刻水痕，易物可知。曹操大悦。曹操若求金块玉石等体积，曹冲似乎能找出办法来。曹操甚爱之，似有意立嗣，不幸其早亡。曹丕秉政，忧惧曹彰、曹植等同胞及同父异母兄弟阴怀异志，遂禁锢之，而觉得曹真、曹休等族兄弟忠诚可靠，乃委以重任。曹真字子丹，曹休字文烈，皆曹操族子，常并随曹操征战，因作战勇猛，数有战功，并为将军。曹丕拜曹真为镇西将军，曹休为镇南将军。
　　曹丕为太子时，司马懿、陈群、吴质、朱铄号称太子四友。曹操尝告诫曹丕曰：“懿非安份守己久为人臣者，终会干预汝事。”（《晋书·宣帝纪》）曹丕不以为然，仍对司马懿非常友好，处处庇护他。曹丕称帝后，对他犹为信重，凡外出，则使留守，视为萧何。可司马懿心里不太会把曹丕看为刘邦的。司马懿，字仲达，河内温县人，多谋略，善权变，因父司马防与曹操有旧，故与兄司马朗、弟司马孚等俱事曹魏。
　　曹丕欲用武力统一天下，问太尉贾诩曰：“吾欲伐不从命以一天下，吴蜀何先？”贾诩对曰：“攻取者先兵权，建本者尚德化。陛下应期受禅，若绥之以文德而俟其变，则平之不难矣。刘备有雄才，诸葛亮善治国，孙权识虚实，陆逊见兵势，据险守要，泛舟江湖，皆难猝谋也。虽以天威临之，未见万全之势也。臣以为当今宜先文后武。”（《三国志·贾诩传》）曹丕不纳。因受孙权伪降愚弄，曹丕遂出兵报复，但无战果。黄初五年（224），曹丕又欲讨孙权。军师辛毗谏曰：“今天下新定，土广民稀。先帝屡起锐师，临江而旋。今日之计，莫若修范蠡之养民，法管仲之寄政，则充国之屯田，明仲尼之怀远，十年后用之，则一役可定。”曹丕曰：“如卿意，当以贼虏遗子孙耶？”辛毗曰：“昔周文王以纣遗武王，唯知时也。”（《三国志·辛毗传》）曹丕不听，兵至广陵。东吴大骇，乃沿江伪装城围，布设假楼、假人等，浮船江中。曹丕临江而望，以为吴已有备，乃退军。黄初六年（225），曹丕最后一次征吴。御史中丞鲍勋谏曰：“王师屡征而未有所克者，盖以吴蜀唇齿相依，凭阻山水，有难拔之势故也。今又劳兵袭远，日费千金，中国虚耗，令黠虏玩威，臣窃以为不可。”（《三国志·鲍勋传》）曹丕怒贬其职，出兵南下，结果又是无功而返。曹操时，刘廙有言：袁氏是自欲溃者，自行灭亡，故可征服之；孙权、刘备是自为计者，发愤图强，与自欲溃者异势耳，难用武功，宜以德兼之。他希望曹操结束乱世混战，开始经国安邦。贾诩、辛毗等劝谏曹丕的话亦为此意。
　　黄初七年（226）五月，曹丕病逝，时年四十岁，葬首阳陵。时大司马曹仁、太尉贾诩已死，骠骑将军曹洪失势免官，曹丕临终召中军大将军曹真、征东大将军曹休、镇军大将军陈群、抚军大将军司马懿并受遗诏辅嗣主曹睿。