在世时，很多人劝他干脆废了汉献帝，自立为皇帝，曹操没有同意。在他死后，曹丕继承王位成为魏王，同时还兼任丞相和冀州牧，眼见父亲已经打下了坚实的基础，曹丕决定由自己来完成父亲的遗愿。
当时朝廷有很多曹姓官员，其他大臣对他们很不服气，为了缓和士族大夫和曹姓官员的冲突，曹丕采纳陈群的建议，颁布了九品中正制，设置了一批对官员功绩进行考察的中正官，以保证不偏袒任何一个人，同时设立中书省，里面的官员都由士族来担任，把尚书郎起草诏书的工作也转移给中书省；下令宦官不能干涉朝政；下令后宫女眷不能干涉朝政，大臣们也不能向太后请奏政事，更不能让外戚掌权。曹丕的这些举措成功地赢得了士族大夫的支持，为之后的称帝奠定了基础。
公元220年十月，曹丕逼迫汉献帝交出国玺，禅位给他，随后便向天下宣布称帝，国号魏，曹丕就是魏文帝，年号黄初，定洛陽为国都，同时追封曹操为魏武帝。魏的建立，结束了汉朝四百多年的统治，曹丕也是三国时期第一个称帝的君主。
曹丕称帝后，陆续颁布了一系列政策。公元221年，他下令全国每个人口达到十万的郡县每年都要通过举贤制度推荐一人进入朝廷任职；大修孔庙，封孔子后人为宗圣侯，并于公元224年恢复了太学，在全国境内推广儒家思想，还在朝廷设立春秋谷梁博士一职；洛陽定为都城后，他命人把那些在战乱中毁坏的建筑重新修好，给百姓创造了良好的居住环境；继续发展屯田制，鼓励百姓开垦荒地，组建集贸市场，方便百姓交易往来，同时也稳定了市场经济；政治上，曹丕除了建立九品中正制，还把很多藩王的权力都收回自己手中，这样一来就加强了中央的权力。
在边防事务上，曹丕也有不少功绩。河西地区的羌胡屡屡来犯，曹丕命人率军前去镇压，打败了羌胡军队，让河西地区恢复了和平；另有鲜卑多次南下侵犯边境，经过几次打压后逐渐不再来犯，北方的边境也得到了安定；曹丕还派遣使者出使西域，并仿照东汉在西域设置了长史府，负责管理西域各国的事务，以及维系西域和中原的联络。
孙权得知曹丕称帝的消息后，写信向魏称臣，以求保存实力。曹丕封他为吴王，一开始两国关系尚且友好，但几经波折，最终还是成为了敌人。曹丕曾三次亲自带兵攻打东吴，可惜都是无功而返。
曹丕统治了魏国六年，在位期间，魏国社会稳定，百姓生活水平有所提高，国家资金充足，军队物资丰裕，战乱时期带来的危害基本上被消除了。但和他的父亲曹操比起来，不论是在政治上还是军事上，始终有很大的差距，唯独在文学上有着不错的成就。他的《燕歌行》可说是中国现存的最早的文人七言诗，他还写了一篇批判类的文章《典论·论文》，是中国文学史上非常重要的批判文，也是中国文学史上第一篇专题论文；除了七言诗，曹丕也擅长五言律诗和乐府诗，风格大多清新怡人。
公元226年，在三次讨伐东吴失败之后，曹丕一病不起，没多久就去世了。临终前，他任命曹真、司马懿几人为辅政大臣，拥立太子曹叡登基。