桓范于建安末年入丞相府。建安二十五年(公元220年)为羽林左监，因为有才学，与王象等共撰《皇览》。明帝时任中领军、尚书，后迁征虏将军、东中郎将，使持节都督青、徐诸军事。任内与徐州刺史郑歧有房屋纠纷，桓范意图用使持节的职权斩杀郑歧，被郑歧上奏告发而免官。后迁任兖州刺史又不得意。随后要迁任冀州牧，但桓范因为当时的镇北将军吕昭比他迟出仕，而他的职官却比自己高，桓范于是称病不上任。
正始年间，桓范被任命为大司农，以清廉节俭见称。辅政大将军曹爽因为桓范是同乡，所以对他特别礼待，但两人的关系并不亲密。 曹爽、曹羲兄弟屡次一起出游，桓范对他说：“你们兄弟总揽大权，掌管禁兵，不宜一起出城。万一有人关闭城门，你们谁又能进城呢?”曹爽说：“谁敢做这种事!”终究是始终不听劝告。
正始十年(249年)，发生高平陵之变，太傅司马懿趁曹爽兄弟随曹芳拜谒高平陵发动政变，关闭洛阳城门，并奉太后诏命桓范行中领军事，接管中领军曹羲的军队。桓范正要应命，但他的儿子以皇帝在曹爽那边，力劝桓范投奔曹爽，桓范最终改变主意要到高平陵。出行时大司农属官全部都劝阻桓范，但桓范不听，在平昌门向由他举荐的门候司蕃讹称得到诏命而成功出城。当时，大司农桓范带着大司农印寻找曹爽。司马懿看到后对蒋济说：“智囊往矣。”蒋济则说：“曹爽对桓范内在疏远，驽马恋栈豆，必不能用桓范的计策。”桓范见曹爽兄弟后，劝他们带着皇帝到许昌，以皇帝为号召要求全国其他军事力量支援，与司马懿对抗;又以大司农印绶担保不会缺粮。但曹爽兄弟都不能下决定，一晚后曹爽更决心要罢官投降，以为顺从地交出权力还可以继续富裕奢华的侯爵生活，保存家族。桓范见此大哭着说：“曹子丹(曹真)一向以多智自信。可他现在这三个儿子，简直是蠢猪!那会料想今天因为你们的原因使我灭族!”
曹爽等人既被罢免，少帝于是让桓范跟随回宫。到洛水浮桥北，桓范望见司马懿，于是下车叩头，但却一言不发。司马懿大声叫桓范说：“桓大夫这是干什么!”车驾入宫，朝廷下诏让桓范官复原职。桓范到宫廷递上奏表谢恩，等待任命书。此时司蕃自己到了官署自首，供出桓范曾在出城时说司马懿谋反。司马懿于是非常生气的说：“诬告他人谋反，依律该怎么处罚?”最后被控以诬告谋反之罪而送交廷尉，与曹爽等人并为一党，一同处死，并诛灭三族。