司馬倫生年不詳，字子彝，是晉宣帝司馬懿的第九子，生母為柏夫人。
曹魏嘉平初年（249年），司馬倫被封為安樂亭侯。五等爵制建立後，改封東安子，拜諫議大夫。
晉武帝司馬炎即位後，封他為琅琊王。
他曾命散騎將劉緝收買工所的人偷盜御裘而獲罪，廷尉杜友依法判劉緝斬首棄市，司馬倫也應同罪，但因他地位尊貴且是皇室親屬，相關部門為其求情，諫議大夫劉毅則認為法律應不分貴賤，晉武帝最終赦免了他的罪行。
司馬倫到封國後，擔任東中郎將、宣威將軍。
咸寧年間（275年—279年），司馬倫改封趙王，升任平北將軍、都督鄴城守事，後又晉封為安北將軍。
元康初年（291年），遷為徵西將軍、開府儀同三司，鎮守關中，因賞罰不公，導致氐族、羌族反叛，被召回京師，不久拜為車騎將軍、太子太傅。
他與晉惠帝的皇后賈后及其母郭槐來往密切，態度諂媚，成為賈后的親信。
元康九年（299年）十二月，愍懷太子司馬遹被賈后陷害而廢黜太子之位，司馬倫擔任右軍將軍。
次年，左衛司馬督司馬雅以及常從督許超，因曾侍奉太子且為其無罪被廢而不平，他們與殿中中郎士猗等謀劃廢掉賈后，恢復太子之位，因張華、裴頠不願參與，他們便遊說司馬倫的寵臣孫秀。
孫秀將此事告知司馬倫，起初計劃按原謀進行，但孫秀擔心太子復立後自己不受重用，便勸司馬倫暫緩行動，讓賈后害死太子，再出面廢賈后，司馬倫聽從了該意見。
之後孫秀傳播流言，稱有人謀劃迎回太子，又勸賈謐等人及早殺死太子，太子最終被害。
元康十年（300年）夏四月，司馬倫與孫秀決定廢掉賈后。
起事當天，司馬倫假傳詔書，稱賈后與賈謐謀劃殺害太子，他要進宮廢后，聽從命令的可賜爵關中侯，不聽命則誅滅三族。眾人皆聽從其令。
司馬倫假傳詔書進入皇宮，派齊王司馬冏帶領三部司馬一百人進宮，華林縣令駱休作為內應迎晉惠帝至東堂，司馬倫將賈謐誅殺，賈后也被廢為庶人並囚禁。
接著司馬倫下詔告知尚書廢黜賈后及拘捕其黨羽之事，並召叢集臣連夜入殿，將張華、裴頠、解結、杜斌等人抓住並在殿前誅殺，尚書懷疑詔書有詐，郎師景露請求看皇上手詔，卻被司馬倫以敗壞眾人情緒為由斬首。
隨後，司馬倫給自己任命持節、大都督、督中外諸軍事、相國，侍中等諸多職位，又大肆封賞兒子和黨羽，其長子司馬荂任冗從僕射，其他兒子也分別封官，孫秀等人亦獲封賞並掌兵權，眾多文武百官被封侯，眾人皆聽命於司馬倫。
淮南王司馬允、齊王司馬冏眼見司馬倫驕縱僭位，心中不平，孫秀等人對他們頗為忌憚。
司馬冏被外調，司馬允則拒絕接受調任並起兵討伐司馬倫，但最終失敗被殺，其黨羽也受牽連。
司馬倫加九錫，增加封邑五萬戶，後又假裝謙讓，在百官勸進下接受。
他還加封齊王司馬冏為撫軍將軍、領軍將軍，給自己的兒子司馬馥、司馬虔、司馬詡分別封官，張林等黨羽也位居要職。
司馬倫擴充相府兵力，與皇帝護衛等同，並暗藏兵士。
他把東宮的三個門修建得很華麗，還隔斷皇宮的東西道。
有人稱散騎常侍楊準、黃門侍郎劉逵打算投靠梁王司馬肜誅殺司馬倫，恰逢星象異常，司馬倫便改司馬肜為丞相併讓楊準、劉逵轉任外官。
永寧元年（建始元年，301年）春正月，司馬倫與孫秀信奉巫鬼妖邪之說，讓牙門趙奉假稱收到司馬懿的神語，要讓司馬倫早日入住西宮，孫秀聯合一幫臣子假造禪讓詔書，