Sau cái chết của Cao Hoan năm 547 và Cao Trừng năm 549, Cao Dương trở thành người cai quản đại chính của Đông Ngụy và đã buộc Đông Ngụy Hiếu Tĩnh Đế phải thiện nhượng cho mình vào năm 550, mở đầu triều đại Bắc Tề. Do là hoàng đệ, Cao Diễn được phong làm Thường Sơn vương. Ông được giao phó một số chức vụ trong triều đình trong khoảng thời gian hoàng huynh trị vì, có được cung cách đàng hoàng khi xử lý chính sự mặc dù còn nhỏ tuổi, và nổi tiếng với tính trang nghiêm. Tuy nhiên, ông cũng trở nên nghiêm khắc theo cách của mình nếu thuộc hạ thực hiện các hành động sai trái, họ sẽ bị ông nghiêm trị. Ông cũng nhiều lần tham gia vào các chiến dịch quân sự do Văn Tuyên Đế đích thân chỉ huy.

Văn Tuyên Đế cai trị Bắc Tề với thái độ mẫn cán trong thời gian đầu, song sau đó, có lẽ bắt đầu từ năm 554 trở đi, ông bắt đầu có các hành động thất thường và hung ác với các quan lại và thành viên hoàng thất. Trong một dịp, khi Cao Diễn được mời đến dự một buổi tiệc của Văn Tuyên Đế, khuôn mặt của ông thể hiện vẻ buồn rầu và lo lắng, vì thế Văn Tuyên Đế đã nghĩ rằng hoàng đệ chê trách lối sống ham mê tửu sắc của mình, và đã tuyên bố bỏ rượu- song hoàng đế đã chỉ giữ được lời hứa trong vài ngày. Văn Tuyên Đế cũng ưa thích các trò chơi bất kính và đôi khi là đồi bại trong cung, song khi có mặt Cao Diễn thì hoàng đế luôn kiềm chế các hành vi của mình. Trong khi Văn Tuyên Đế được cho là thường viếng thăm các hộ gia đình quý tộc và thực hiện hành vi tình dục với các phụ nữ của họ, ông ta đã không làm vậy với gia đình của Cao Diễn. Trong giai đoạn Văn Tuyên Đế trị vì, Cao Diễn là một trong vài cá nhân dám khuyên can hoàng đế thay đổi hành vi của mình, song chúng thường chỉ có hiệu quả nhất thời. Trong một dịp, Cao Diễn đã đưa ra một bản kiến nghị liệt kê các hành vi mà ông cho rằng Văn Tuyên Đế nên thay đổi, điều này đã khiến Văn Tuyên Đế hết sức tức giận ông. Văn Tuyên Đế đã dọa giết Cao Diễn và kết án quân sư Vương Hi (王唏) của Cao Diễn đi đày do tin rằng người này đã đóng góp vào kiến nghị. Trong một diễn biến sau đó, sau khi ban thưởng một thị nữ cho Cao Diễn trong lúc say rượu, Văn Tuyên Đế đã quên mất điều này sau khi tỉnh táo và cáo buộc Cao Diễn đã đánh cắp người thị nữ này, rồi đánh đập hoàng đệ một cách dữ dội bằng cán gươm. Cao Diễn trở nên giận dữ và tiến hành một cuộc tuyệt thực. Để xoa dịu Cao Diễn, Văn Tuyên Đế sau đó đã đồng ý phóng thích Vương Hi và đưa người này đễn chỗ của Cao Diễn. Trong khi đó, do không tin tưởng vào các thành viên hoàng tộc Đông Ngụy trước đây, Văn Tuyên Đế đã cố gắng thuyết phục Cao Diễn ly hôn với Nguyên vương phi, song Cao Diễn khước từ, và đến khi Văn Tuyên Đế thực hiện hành động thảm sát Nguyên gia vào năm 559, do can thiệp của Cao Diễn mà vị hoàng đế này đã tha cho phụ thân của Nguyên vương phi là Nguyên Man (元蠻) và gia đình của ông ta.

Hoàng thái tử của Văn Tuyên Đế là Cao Ân, một người nổi tiếng với lòng hiếu học, song Văn Tuyên Đế cảm thấy rằng Cao Ân đã quá Hán hóa trong suy nghĩ và nhiều lần tính đến việc phế truất. Đặc biệt là khi uống say, Văn Tuyên Đế thường nói rằng ông sẽ truyền lại đế vị cho Cao Diễn, và chỉ dừng lại khi Dương Âm can gián rằng những lời này có thể khiến đế quốc mất ổn định.

Vào mùa thu năm 559, Văn Tuyên Đế đã mắc phải một căn bệnh nặng, các sử gia cho rằng nó bắt nguồn từ chứng nghiện rượu của vị hoàng đế này. Văn Tuyên Đế đã nói với hoàng hậu Lý Tổ Nga rằng "Một con người sẽ sinh rồi tử, nên không có gì phải hối tiếc, song con trai Cao Ân của chúng ta còn quá trẻ, và người khác sẽ đoạt lấy ngai vàng của nó". Ông ta nói với Cao Diễn rằng: "Hãy tiến lên và đoạt lấy ngai vàng, song đừng giết nó!" Tuy nhiên, Văn Tuyên Đế đã không thay đổi thứ tự kế vị, và sau khi ông ta mất, Cao Ân lên ngôi kế vị, tức Phế Đế.