桓彦范，润州曲阿人。祖父桓法嗣，是雍王府咨议参军，弘文馆学士。桓彦范慷慨潇洒，少年时因承袭祖辈的余荫被调任右翊卫。圣历初年(698)，授司卫寺主簿。纳言狄仁杰很是看重，特殊礼遇，曾对他说：“足下才识如此，一定前程远大。”还提升他为监察御史。
长安三年(703)，调任御史中丞。四年转任司刑少卿。当时，司仆卿张昌宗因派术士李弘泰占卜他有帝王之分，御史中丞宋王景请拘留审理，详尽地讲了他的罪过，但武则天不同意判刑，桓彦范对此事上疏道：“张昌宗无德无才，谬承陛下恩宠，本应当粉身碎骨，来报答陛下特殊栽培，竟然包藏祸心，有这样的占卜！陛下长期施加恩惠，不忍先刑。张宗昌叛逆作乱的罪行很多，这是自己招来的罪过，这是老天爷生怒，并不是陛下有心杀他，违天不祥，乞请陛下裁决。..君尚在，但是做臣子的却图望有天子之分，这就是逆臣，如果不诛，社稷也不会安稳。伏请将张昌宗交付鸾台凤阁三司追究其罪。”奏章奏上之后却没有结果。当时又有内史李峤等奏称“：陛下刚革新之时，人多逆反，审讯断决，刑法极严，一些刻薄的官吏，恣意加重迫害，当时被周兴、丘责力、来俊臣所酷法破家的人，现在都在申诉冤情。”桓彦范又奏请从文明元年(684)以后被判罪的人，除了扬、豫、博三州的谋反魁首以外，其他人都加以赦免。表疏前后达十奏，言辞恳切，至此才得到允许采纳。桓彦范凡是所奏议的，如果碰上皇上责问，他就辞色无惧，争论愈厉。他曾对他所亲人说“：今天既然做了执法官，人命就是在自己的手上，一定不能顺旨诡辞，来求得自己的安全。”
这年，武则天生病，张易之与弟张昌宗入阁侍疾，暗中图谋叛逆。凤阁侍郎张柬之与桓彦范及中台右丞敬晖等策划诛杀张易之兄弟。张柬之迅速引荐桓彦范和敬晖同时任左右羽林将军，授予指挥禁兵的职权，共同图谋平定反叛之事。当时皇太子每于北门起居，桓彦范与敬晖趁此时谒见，秘密陈计，太子听从了他们的策划。
神龙元年(705)正月，桓彦范与敬晖及左羽林将军李湛、李多祚、右羽林将军杨元琰、左威卫将军薛思行等，率领左右羽林军及一千骑和五百余步兵在宫中捉拿张易之、张昌宗。令李湛、李多祚到东宫迎皇太子。兵到玄武门，桓彦范等保护太子斩关而入，兵士大噪。当时，武则天在迎仙宫的集仙殿。斩张易之、张昌宗于廊下，并迅速到其宅第斩其兄汴州刺史张昌期、司礼少卿张同休，并将他们首级悬挂天津桥南。人们看见，莫不欢叫相贺，有的割他们的一块肉，一个晚上肉都割尽。第二天，太子即位，桓彦范以功加授银青光禄大夫，拜授纳言，赐勋上柱国，封谯国公，赐实封五百户。从新令，又改为侍中。
桓彦范曾上表论时政数条，其大义是“：过去孔子论诗，以关雎为始篇，讲的是后妃乃是人伦之本，治国之源始。所以娥皇、女英下嫁而舜治政兴旺，太任、太姒出嫁姬氏便使姬周兴盛，桀逃亡到南巢，祸起于妹喜；鲁桓公灭国，是被齐国美女迷惑。伏见陛下每次临朝听政，皇后总施帷幔坐殿上，参与政事。臣选列历史上的国君详细了解历史上发生的事，帝王中凡有与妇人谋及政事的，莫不破国亡身，走上绝路。况且以阴乘驾在阳之上，这是违背天理的，以妇凌夫，这是违背人伦的。违天不祥，违人不义。由此古人以‘北鸡之晨，惟家之索’，易经上说：‘无攸遂，在中馈。’讲的都是妇人不得干预国政。伏愿陛下览古人之言，察古人之意，上以国家为重，下以百姓为念，应当令皇后无往正殿，干预朝政，专在宫中，修养阴教，则社会稳定，永远兴旺。”
又说：“臣闻京师到处在传说，胡僧慧范假托佛教，欺诈迷惑后妃，所以能够出入宫闱，扰乱时政。陛下又轻骑微行，多次到其室，上下亵狎，有损尊严。臣曾听说兴旺之理，必由进善；富国安民，莫大弃恶。所以孔子说‘：拿左道乱政的人杀，借鬼神危人的杀。’今慧范之罪，与所说的没有什么不同，如果不急诛，一定会生乱变。除恶务本，去邪不疑。实愿陛下，早加裁贬。”桓彦范的这些意见未被采纳。同时，中宗又授方术人郑普思为秘书监，叶净能为国子祭酒，桓彦范苦苦劝告，言其不可。中宗说：“既要用他们，就容不得阻止。”桓彦范又说“：陛下自登上宝位，便马上宣布‘军国政化，皆依贞观时的办法’，贞观中太宗曾用魏征、虞世南、颜师古为秘书监，孔颖达为国子祭酒。而郑普思等都是方术庸流之辈，哪里足以与他们相比。臣担心人们议论陛下官不择才，随随便便把官职加于私爱。希望陛下要慎重选择。”中宗也不采纳。
当时，韦皇后参于朝政，德静郡王武三思又在朝中用权，认为武则天是被桓彦范所废除，常深怀怨恨，又担心桓彦范等逐渐铲除武氏，便考虑先下手对付桓彦范，皇后韦氏既深为中宗所信任宠爱，言无不从，武三思又与韦氏私通，便早晚在中宗耳边说桓彦范的坏话。中宗竟用武三思的计谋，晋封桓彦范为扶阳郡王，敬晖为平阳郡王，张柬之为汉郡王、崔玄日韦为博陵郡王，袁恕己为南阳郡王，并加特进之职，免除宰相之职。还给桓彦范赐姓韦氏，令与皇后同姓，..杂彩、锦绣、金银、鞍马等。虽然表面上表示优崇，而实际夺去他们的实权。易州刺史赵履温，是桓彦范的妻兄。桓彦范诛张易之后上奏说赵履温也共谋其事，于是赵履温被授司农少卿官职。赵履温为了感激他，就把自己的两个心爱婢女送给桓彦范。到桓彦范免除宰相之职，赵履温又夺回这两个婢女，这样就大大的为时论所讥讽。不久，桓彦范调外任氵名州刺史，转濠州刺史。
二年，光禄卿、驸马都尉王同皎因武三思与韦氏通奸，偷偷谋划除掉他们。事泄，被武三思诬陷，说王同皎将废除韦氏，并说桓彦范与他通信息也知其情。因此桓彦范被贬到泷州做司马，敬晖到崖州做司马，袁恕己到窦州做司马，崔玄日韦到白州做司马，并命令永不升职，勋封并削。桓彦范仍复其本姓桓氏。
这年秋，武三思又阴令人把皇后的秽行，榜贴于天津桥，请除韦氏。中宗闻知大怒，命卿史大夫李承嘉追查其人。李承嘉按武三思的旨意，上奏说：“桓彦范与敬晖、张柬之、袁恕己、崔玄日韦等指使人偷偷张贴的。表面上是废后，实际上有危君之计，请加以满门抄斩。”中宗依李承嘉所奏。大理丞李朝隐坚持上奏说“：敬晖等既未经审理，不可马上诛夷，请派御史查清罪行，待审理案情，依法处分。”大理卿裴谈奏道“：敬晖等只适合据皇上亲自断罪，不可另外等候审讯，请一并处斩没收所有家产。”中宗采纳了裴谈的意见，但因桓彦范等五人赏赐了铁券，许以不死，于是就长期流放桓彦范于滚州，敬晖于崖州，张柬之于泷州，袁恕己于环州，崔玄日韦于古州，并终身禁锢，子弟年龄在十六岁以上的也流配岭外。李承嘉因此被授金紫光禄大夫，晋封襄武郡公。韦氏为此特赐李承嘉彩五百段，瑞锦被一张。升迁裴谈为刑部尚书，贬李朝隐为闻喜县令。武三思又怂恿节愍太子上表请求斩桓彦范等的三族，中宗因为已经有前面赐的铁券许以不死就没依从这个请求。武三思忧虑桓彦范等重新被进用，又采取了中书舍人崔..的计策，特令崔..的表兄嘉州司马周利贞代理右台侍御史，到岭外并假冒圣旨诛杀桓彦范。桓彦范奔赴流放地，行至贵州，周利贞在途中追上，就命令左右捆绑桓彦范，拖到竹茬之上，皮肉挂掉露出骨头，然后又乱杖打死，那时他只五十四岁。
睿宗即位，延和元年(712)，追复桓彦范原有官爵，还他的子孙实封二百户。玄宗即位，开元六年(718)，下诏：“配享中宗、孝和皇帝庙廷，桓彦范的子弟都加提拔录用。”建中元年(780)，重赠司徒。