Năm Kiến An thứ 25 (220), Ngụy vương Tào Tháo chết, Vương thế tử Tào Phi kế nghiệp chức Thừa tướng nhà Hán, nhận danh hiệu Ngụy vương (魏王). Lên làm Ngụy vương, Tào Phi không e ngại dư luận như Tào Tháo và mang chí hướng muốn soán Hán tự lập.

Mùa thu năm đó, Tào Phi sai thân tín dâng thư lên Hán Hiến Đế, khuyên Hiến Đế nhường ngôi cho Ngụy vương. Để tỏ ra khiêm nhường, Tào Phi đã từ chối 3 lần, đến lần thứ 4 mới nhận. Đây được gọi là sự kiện Tào Phi soán Hán (曹丕篡漢) nổi tiếng lúc bấy giờ. Hán Hiến Đế đã ngồi trên ngai vàng làm bù nhìn suốt hơn 30 năm, nay nhận được biểu của các đại thần đành tuyên bố nhượng vị, đổi xưng là Sơn Dương công (山陽公). Các đại thần còn bày ra một nghi thức nhường ngôi long trọng để Hán Hiến Đế bưng Ngọc tỉ dâng cho Ngụy vương Tào Phi để tỏ rằng hoàn toàn tự nguyện.

Tháng 10 năm 220, Tào Phi tự xưng là Ngụy Đế (魏帝), trở thành vị Hoàng đế đầu tiên của Tào Ngụy. Cải nguyên Hoàng Sơ (黄初), định đô tại Lạc Dương, truy xưng cha mình là Tào Tháo làm Vũ hoàng đế (武皇帝). Sau khi lên ngôi, ông đã tiếp tục cuộc chiến của cha mình chống lại Thục Hán của Lưu Bị và Đông Ngô của Tôn Quyền.

Trong thời gian ở ngôi, Tào Phi có điều tiếng là khiến tướng Vu Cấm phải xấu hổ mà chết. Chuyện là, Vu Cấm được Tào Tháo sai đi đánh nhau với Quan Vũ, bị Quan Vũ đánh bại và cùng phó tướng Bàng Đức bị bắt sống. Trong khi Bàng Đức không chịu khuất phục thì Vu Cấm lại sợ hãi xin đối phương tha mạng. Kết quả Đức bị chém còn Cấm bị giam.

Sau đó Tôn Quyền sai Lã Mông đánh úp Kinh châu, bắt giết Quan Vũ. Lã Mông bắt được Vu Cấm, bèn trả về cho Tào Tháo. Đến khi làm Hoàng đế, Tào Phi sai người vẽ tranh chế giễu Vu Cấm đặt ở nơi công cộng. Trong tranh, Quan Vũ ngồi chễm chệ, Bàng Đức vươn cổ chịu chém, còn Vu Cấm thì khúm núm lạy lục Quan Vũ. Bởi thế Vu Cấm không chịu nổi nỗi nhục, lo rầu mãi sinh bệnh mà chết.

Năm 224-225, Tào Phi xuất chinh đánh Ngô nhưng bị tướng Ngô Từ Thịnh, Tôn Thiều đánh bại, từ đó lâm bệnh nặng.

Tào Phi ở ngôi 6 năm (220 - 226), băng hà khi chỉ vừa 40 tuổi, thụy hiệu là Văn hoàng đế (文皇帝), miếu hiệu là Thế Tổ (世祖), được an táng ở Thủ Dương Lăng (首阳陵). Thái tử Tào Duệ lên nối ngôi, tức là Ngụy Minh đế.