桓阶早年当过郡守的功曹史。太守孙坚推荐他为孝廉，后被朝廷任命为尚书郎。桓阶因父亲去世返乡奔丧，正赶上孙坚在攻打刘表时战死。桓阶便冒着生命危险前去拜见刘表，请求为孙坚送丧。刘表被他的义气所感动，就把孙坚的尸首、灵柩让他带走了。

　　劝说张羡建安五年(200年)，曹操与表绍在官渡相持不下，刘表带领荆州的人马全力接应袁绍。桓阶见到这种情况，就劝说太守张羡道：“不论干什么事情，采取什么行动，只要不是以礼义为根本，就没有不失败的。因为明白这个道理，所以以前齐桓公就率领诸侯尊崇周天子，晋文公就追杀太叔又收留周襄王，并帮助周襄王复了位。如今袁绍违背了这个道理，而刘表又紧随其后，他们走的都是自取灭亡的路啊。您一定要深明大义，明辨是非，保全福运，远离灾祸，决不能和他们同流合污!”张羡问：“但是咱们现在又该怎么办才好呢?”桓阶说：“眼下曹操的力量虽然很弱，但是他仗义起兵，挽救朝廷的危亡，奉王命讨伐罪臣，天下人谁敢不服?如今您若能把四郡的力量联合起来，保住三江，等待曹操的大军，到时候里应外合，难道这不是一条出路吗?”张羡说：“好!”于是把长沙和周围三郡的人马都动员起来对抗刘表，又派出使者前去谒见曹操，曹操十分高兴。这时袁、曹之间的战事正接连不断，曹军一直未能南下，而刘表却加紧攻击张羡。张羡病死，长沙城被攻破，桓阶只得自己躲藏起来。过了很久，刘表又征召他做从事祭酒，还打算把妻子的妹妹蔡氏嫁给他。桓阶推说自己已有了老婆，拒不接受，接着又称病辞官告退了。

　　效力曹操

　　建安十三年(208年)，曹操平定荆州之后，听说桓阶曾经为张羡出谋划策，认定他是个奇才，就征聘他做丞相掾主簿，在丞相府典领文书，参与机要。后又调任赵郡太守。魏国建立之初，桓阶任虎贲中郎将侍中。当时尚未确定太子，而临菑侯侯曹植很受曹操的宠爱。桓阶就在曹操面前多次夸耀曹丕德操优良，年纪又比曹植大，适宜立为太子。不论在大庭广众之下，还是在单独召见的时候，桓阶都是这样劝说曹操，从始至终态度十分恳切。这时，大臣毛玠、徐奕因为刚直忠正，不纳私党，被西曹掾丁仪视为眼中钉，丁仪就多次在曹操面前说他俩的坏话，全仗着桓阶在一旁劝解、周全。桓阶在曹操面前夸奖顺时应世之臣，助成事情成功，匡救忠良，大都如此。桓阶以后又升任尚书，协助曹操处理军政要事，还主管着选拔人才的事务。

　　计破关羽

　　建安二十四年(219年)，曹仁被关羽围困，曹操派徐晃前去援救，起初徐晃兵力不足，未能顺利解围。曹操打算亲自领兵南征，以救援曹仁，就把自己的想法跟大臣们讲了，问这样办行不行。大臣们都回答说：“你要是不赶紧去，这场战事必败无疑。”惟独桓阶说：“大王您认为曹仁等能不能完全由自己判断形势、处理战事?”曹操回答：“能。”桓阶又问：“大王是不是怕他和徐晃不尽心尽力?”曹操回答：“不是。”桓阶再问：“那您为什么还要亲自前往呢?”曹操说：“我只是担心敌军人马众多，恐怕晃等势力不如敌人。”桓阶说：“眼下曹仁等身处重围之中而能拼死守城毫无二心的原因，正是因为他们所处的境地和您距离遥远。人常说，居万死之地，必有死争之心。如今他们内有死争之心，外有强将援救，大王如果统率大军按兵不动，从容向敌兵显示我军的实力，哪儿还用得着担心失败而亲自前往呢?”曹操觉得他说得有道理，就统率大军驻守在摩陂。没过多久，蜀军就被打退了。

　　曹魏元勋

　　黄初元年(220年)，曹丕即位后，桓阶升任尚书令，成为直接对曹丕负责总揽一切政令的官员，事实上即成为宰相，封高乡亭侯，加侍中。

　　黄初二年(221年)，桓阶得病，曹丕亲自去看望，对他说：“我刚刚把我自己未成年的儿子和国家的命运寄托给你，你可要保重和努力啊!”后又晋封桓阶为安乐乡侯，食邑六百户，还把他的三个儿子都赐封为关内侯。因为桓祐是桓阶的嗣子，所以没有封侯，但是当桓祐病故之后，曹丕也追赠他为关内侯。

　　桓阶病势严重，曹丕又派使者传诏拜他为太常。桓阶死后，曹丕伤心得直流眼泪，谥封他为贞侯。桓阶的儿子桓嘉继承了他的爵位，桓阶的弟弟桓纂被任命为散骑侍郎，也被赐封为关内侯。

　　正始四年(243年)七月，桓阶得享从祀于曹操庙庭。

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