殷浩连年北伐，屡屡被打败，军粮器械消耗殆尽。永和十年（354年），桓温借朝野上下对殷浩的怨愤，趁机上书列举殷浩的罪行，请求将他黜免。司马昱不得已，只得将殷浩贬为庶人，流放到东阳郡信安县。从此，内外大权都集中在桓温手里。
升平二年（358年），当时穆帝已到始冠之年（二十岁），司马昱意欲还政于穆帝，但穆帝不许。
兴宁三年（365年），司马昱听说冠军将军陈祐放弃洛阳，便与桓温在洌洲会面，共同商议征讨事宜。不久，哀帝司马丕驾崩，此事搁置起来。哀帝崩后，由琅玡王司马奕即位，褚太后以琅邪王绝嗣为由，再封司马昱为琅邪王（作为储君），又封司马昱之子司马曜为会稽王。司马昱不肯受封，尽管被封琅玡却未去会稽王之称。
太和元年（366年）十月，司马昱进位丞相、录尚书事，赐“入朝不趋，赞拜不名，剑履上殿”的荣誉，又赐羽葆、鼓吹及持班剑的武士六十人，司马昱又坚决辞让。
太和四年十一月二十五日（370年），在桓温北伐失败后，司马昱与桓温在涂中会面，共同商议之后的行动。
太和六年十一月十五日（372年1月6日），大司马桓温废司马奕为东海王，并于同日率百官到会稽王府奉迎司马昱，司马昱在朝堂更换服装，戴平顶头巾，穿单衣，面朝东方流涕，叩拜接受皇帝的印玺绶带，即日便即位为帝，改年号咸安。桓温临时住在中堂，分派兵力屯驻守卫。
桓温及后写了讲辞，打算向司马昱陈述自己废立皇帝的本意。但司马昱接见他不停流泪，令桓温战战兢兢，居然一句话都说不出来。
司马昱虽处在帝位，垂拱无为、持守常道而已，常惧废黜。当时，司马昱见荧惑入太微垣，因晋废帝被废时亦有同样天象，故此十分不安，对桓温亲信也是自己昔日僚属的郗超问桓温会否再行废立之事。郗超断言道：“大司马正在对内稳定国家，对外开拓江山，臣愿用全家百余口来担保，不会发生不正常的事变。”等到郗超急于请假回去看望他的父亲（郗愔，忠于晋室）时，司马昱说：“告诉尊父，宗族国家之事，竟到了这种地步，是因为朕不能用道德去匡正守卫的缘故，惭愧慨叹之深，怎能用语言来表达！”接着便咏庾阐之诗：“志士痛朝危，忠臣哀主辱。”吟诵得潸然泪下，打湿了衣襟。司马昱也因而忧愤得病。
咸安二年七月甲寅（372年9月7日），司马昱因病重召桓温入朝辅政，一天一夜连发四道诏令，桓温都推辞不到。二十八日（9月12日），司马昱立司马曜为太子。临终前，司马昱写了遗诏，要桓温依周公先例居摄，又写道：“少子可辅者辅之，如不可，君自取之。”王坦之在司马昱面前亲手撕毁遗诏，司马昱说：“晋室天下，只是因好运而意外获得，你又对这个决定有什么不满呢！”王坦之却说：“晋室天下，是宣帝（司马懿）和元帝（司马睿）建立的，怎由陛下独断独行！”司马昱于是命王坦之改写遗诏，写道：“家国事都禀报给大司马，如诸葛武侯（诸葛亮）、王丞相（王导）的旧例。”桓温看到后大失所望。同日，司马昱在东堂驾崩，享年五十三岁。十月初八（11月19日），葬于高平陵，庙号太宗，谥号简文皇帝。