治世
平城京における肥大化した奈良仏教各寺の影響力を厭い、天武天皇流が断絶し天智天皇流に皇統が戻ったこともあって、当時秦氏が開拓していたものの、ほとんど未開の山城国への遷都を行う。初め延暦3年（784年）に長岡京を造営するが、天災や後述する近親者の不幸・祟りが起こり、その原因を天皇の徳がなく天子の資格がない事にあると民衆に判断されるのを恐れて、僅か10年後の延暦13年（794年）、側近の和気清麻呂・藤原小黒麻呂（北家）らの提言もあり、気学における四神相応の土地相より長岡京から艮方位（東北）に当たる場所の平安京へ改めて遷都した。
また蝦夷を服属させ東北地方を平定するため3度に渡る蝦夷征討を敢行、延暦8年（789年）に紀古佐美を征東大使とする最初の軍は惨敗したが、延暦13年の2度目の遠征で征夷大将軍・大伴弟麻呂の補佐役として活躍した坂上田村麻呂を抜擢して、延暦20年（801年）の3度目の遠征で彼を征夷大将軍とする軍を送り、田村麻呂がアテルイら500人の蝦夷を京都へ護送した延暦21年（802年）に蝦夷の脅威は減退、翌22年（803年）に田村麻呂が志波城を築いた時点でほぼ平定された。
しかし晩年の延暦24年（805年）には、平安京の造作と東北への軍事遠征がともに百姓を苦しめているとの藤原緒嗣（百川の長子）の建言を容れて、いずれも中断している（緒嗣と菅野真道との所謂徳政相論）。また、健児制を導入した事で百姓らの兵役の負担は解消されたが、この制度も間もなく機能しなくなり、結果として無政府状態を招いた。
文化面では『続日本紀』の編纂を発案したとされる。また最澄と空海が唐から帰国し、日本の仏教に新たな動きをもたらしたのも桓武天皇治下で、最澄や空海の保護者として知られる一方、既存の仏教が政権に関与して大きな権力を持ちすぎたことから、いわゆる「南都六宗」と呼ばれた諸派に対しては封戸の没収など圧迫を加えている。また後宮の紊乱ぶりも言われており、それが後の薬子の変へと繋がる温床となったともされる。
その他、即位前の宝亀3年には井上内親王と他戸親王の、在位中の延暦4年には早良親王の不自然な薨去といった暗い事件が多々あった。井上内親王や早良親王の怨霊を恐れて同19年7月23日（800年8月16日）に後者に「崇道天皇」と追尊し、前者は皇后位を復すと共にその墓を山陵と追称したりしている。
治世中は2度の遷都や東北への軍事遠征を主導するなど歴代天皇の中でも稀に見る積極的な親政を実施したが、青年期に官僚としての教育を受けていたことや壮年期に達してからの即位が、これらの大規模な政策の実行を可能にしたと思われる。
