在世時，很多人勸他乾脆廢了漢獻帝，自立為皇帝，曹操沒有同意。在他死後，曹丕繼承王位成為魏王，同時還兼任丞相和冀州牧，眼見父親已經打下了堅實的基礎，曹丕決定由自己來完成父親的遺願。
當時朝廷有很多曹姓官員，其他大臣對他們很不服氣，為了緩和士族大夫和曹姓官員的衝突，曹丕採納陳群的建議，頒布了九品中正制，設置了一批對官員功績進行考察的中正官，以保證不偏袒任何一個人，同時設立中書省，裡面的官員都由士族來擔任，把尚書郎起草詔書的工作也轉移給中書省；下令宦官不能干涉朝政；下令後宮女眷不能干涉朝政，大臣們也不能向太后請奏政事，更不能讓外戚掌權。曹丕的這些舉措成功地贏得了士族大夫的支持，為之後的稱帝奠定了基礎。
公元220年十月，曹丕逼迫漢獻帝交出國璽，禪位給他，隨後便向天下宣佈稱帝，國號魏，曹丕就是魏文帝，年號黃初，定洛陽為國都，同時追封曹操為魏武帝。魏的建立，結束了漢朝四百多年的統治，曹丕也是三國時期第一個稱帝的君主。
曹丕稱帝后，陸續頒布了一系列政策。公元221年，他下令全國每個人口達到十萬的郡縣每年都要通過舉賢制度推薦一人進入朝廷任職；大修孔廟，封孔子後人為宗聖侯，並於公元224年恢復了太學，在全國境內推廣儒家思想，還在朝廷設立春秋谷梁博士一職；洛陽定為都城後，他命人把那些在戰亂中毀壞的建築重新修好，給百姓創造了良好的居住環境；繼續發展屯田制，鼓勵百姓開墾荒地，組建集貿市場，方便百姓交易往來，同時也穩定了市場經濟；政治上，曹丕除了建立九品中正制，還把很多藩王的權力都收回自己手中，這樣一來就加強了中央的權力。
在邊防事務上，曹丕也有不少功績。河西地區的羌胡屢屢來犯，曹丕命人率軍前去鎮壓，打敗了羌胡軍隊，讓河西地區恢復了和平；另有鮮卑多次南下侵犯邊境，經過幾次打壓後逐漸不再來犯，北方的邊境也得到了安定；曹丕還派遣使者出使西域，並仿照東漢在西域設置了長史府，負責管理西域各國的事務，以及維繫西域和中原的聯絡。
孫權得知曹丕稱帝的消息後，寫信向魏稱臣，以求保存實力。曹丕封他為吳王，一開始兩國關係尚且友好，但幾經波折，最終還是成為了敵人。曹丕曾三次親自帶兵攻打東吳，可惜都是無功而返。
曹丕統治了魏國六年，在位期間，魏國社會穩定，百姓生活水平有所提高，國家資金充足，軍隊物資豐裕，戰亂時期帶來的危害基本上被消除了。但和他的父親曹操比起來，不論是在政治上還是軍事上，始終有很大的差距，唯獨在文學上有著不錯的成就。他的《燕歌行》可說是中國現存的最早的文人七言詩，他還寫了一篇批判類的文章《典論·論文》，是中國文學史上非常重要的批判文，也是中國文學史上第一篇專題論文；除了七言詩，曹丕也擅長五言律詩和樂府詩，風格大多清新怡人。
公元226年，在三次討伐東吳失敗之後，曹丕一病不起，沒多久就去世了。臨終前，他任命曹真、司馬懿幾人為輔政大臣，擁立太子曹叡登基。