司马伦生年不详，字子彝，是晋宣帝司马懿的第九子，生母为柏夫人。
曹魏嘉平初年（249年），司马伦被封为安乐亭侯。五等爵制建立后，改封东安子，拜谏议大夫。
晋武帝司马炎即位后，封他为琅琊王。
他曾命散骑将刘缉收买工所的人偷盗御裘而获罪，廷尉杜友依法判刘缉斩首弃市，司马伦也应同罪，但因他地位尊贵且是皇室亲属，相关部门为其求情，谏议大夫刘毅则认为法律应不分贵贱，晋武帝最终赦免了他的罪行。
司马伦到封国后，担任东中郎将、宣威将军。
咸宁年间（275年—279年），司马伦改封赵王，升任平北将军、都督邺城守事，后又晋封为安北将军。
元康初年（291年），迁为征西将军、开府仪同三司，镇守关中，因赏罚不公，导致氐族、羌族反叛，被召回京师，不久拜为车骑将军、太子太傅。
他与晋惠帝的皇后贾后及其母郭槐来往密切，态度谄媚，成为贾后的亲信。
元康九年（299年）十二月，愍怀太子司马遹被贾后陷害而废黜太子之位，司马伦担任右军将军。
次年，左卫司马督司马雅以及常从督许超，因曾侍奉太子且为其无罪被废而不平，他们与殿中中郎士猗等谋划废掉贾后，恢复太子之位，因张华、裴頠不愿参与，他们便游说司马伦的宠臣孙秀。
孙秀将此事告知司马伦，起初计划按原谋进行，但孙秀担心太子复立后自己不受重用，便劝司马伦暂缓行动，让贾后害死太子，再出面废贾后，司马伦听从了该意见。
之后孙秀传播流言，称有人谋划迎回太子，又劝贾谧等人及早杀死太子，太子最终被害。
元康十年（300年）夏四月，司马伦与孙秀决定废掉贾后。
起事当天，司马伦假传诏书，称贾后与贾谧谋划杀害太子，他要进宫废后，听从命令的可赐爵关中侯，不听命则诛灭三族。众人皆听从其令。
司马伦假传诏书进入皇宫，派齐王司马冏带领三部司马一百人进宫，华林县令骆休作为内应迎晋惠帝至东堂，司马伦将贾谧诛杀，贾后也被废为庶人并囚禁。
接着司马伦下诏告知尚书废黜贾后及拘捕其党羽之事，并召集群臣连夜入殿，将张华、裴頠、解结、杜斌等人抓住并在殿前诛杀，尚书怀疑诏书有诈，郎师景露请求看皇上手诏，却被司马伦以败坏众人情绪为由斩首。
随后，司马伦给自己任命持节、大都督、督中外诸军事、相国，侍中等诸多职位，又大肆封赏儿子和党羽，其长子司马荂任冗从仆射，其他儿子也分别封官，孙秀等人亦获封赏并掌兵权，众多文武百官被封侯，众人皆听命于司马伦。