初任长沙郡功曹,太守孙坚举为孝廉,除尚书郎。后以父丧还乡里。
东汉献帝初平二年[公元一九一年]
太守孙坚与刘表交战时战死,冒难诣刘表乞葬孙坚,刘表因其义而准许。
汉建安三年[公元一九八年]
当时曹操与袁绍相持于官渡,刘表投向袁绍阵营。桓阶劝说长沙太守张羡曰:“夫举事而不本于义,未有不败者也。故齐桓率诸候以尊周,晋文逐叔带以纳王。今袁氏反此,而刘牧应之,取祸之道也。明府必欲立功明义,全福远祸,不宜与之同也。”张羡曰:“然则何向而可?”桓阶曰:“曹公虽弱,仗义而起,救朝廷之危,奉王命而讨有罪,孰敢不服?今若举四郡保三江以待其来,而为之内应,不亦可乎!”张羨乃举长沙、零陵、桂阳三郡以拒刘表,並遣使诣曹操。
汉建安五年[公元二零零年]
刘表遣军攻之却连年不下,这时曹操与袁绍交战连场,根本无法派军南下支援。刚好张羡病死,三郡为刘表所破,桓阶遂匿藏。
过了一段时间后,刘表辟为从事祭酒。后欲以妻妹蔡氏结成亲家。桓阶自陈已结拢,拒而不受,以患疾为由告退。
汉建安十三年[公元二零八年]
曹操平定荆州,听闻其曾为张羡献谋,异之,辟为丞相掾主簿,迁赵郡太守。
汉建安十八年[公元二一三年]
魏国初建,授虎贲中郎将侍中。
当时太子之位未立,曹植得宠。其后桓阶数陈曹丕:“今太子仁冠群子,名昭海内,仁圣达节,天下莫不闻;而大王甫以植而问臣,臣诚惑之。”于是曹操知桓阶笃于守正,深益重用。曹操规密谏,前后恳至。又毛玠、徐奕以刚蹇少党,而为西曹掾丁仪所不善,丁仪屡言他们之短,全赖桓阶左右以自全保。其将顺匡救,此后还有这类救人之事。
汉建安二十三年[公元二一八年]
迁为尚书,掌管选举人事。
汉建安二十四年[公元二一九年]
曹仁为关羽所围,曹操遣徐晃救援,但尚未解围。曹操欲亲自南征,便询问郡臣。他们皆认为若曹操不出兵的话曹仁和徐晃将会败北。唯独桓阶曰:“大王以仁等为足以料事势不也?”曹操曰:“能。”桓阶曰:“大王恐二人遗力邪?”曹操曰:“不。”桓阶曰:“然则何为自往?”曹操曰:“吾恐虏众多,而晃等势不便耳。”桓阶曰:“今仁等处重围之中而守死无贰者,诚以大王远为之势也。夫居万死之地,必有死争之心;内怀死争,外有强救,大王案六军以示余力,何忧于败而欲自往?”曹操善其言,驻军于摩陂。其后关羽退兵。
魏文帝黄初元年[公元二二零年]
曹丕代汉称帝,授桓阶为尚书令,封高乡亭侯,加侍中。
魏黄初二年[公元二二一年]
桓阶患病,曹丕亲自到来说:“吾方托六尺之孤,寄天下之命于卿。勉之!”徙封安乐乡侯,邑六百户,又赐阶三子爵关内侯,祐以嗣子不封,病卒,又追赠关内侯。后桓阶病危,曹丕遣使者即拜太常,死后曹丕为之流涕,谥曰贞侯。子嘉嗣。以阶弟纂为散骑侍郎,赐爵关内侯。
魏齐王芳正始四年[公元二四三年]
桓阶得享从祀於曹操庙庭。