杜元颖，京兆杜陵(陕西西安三兆村)人，杜如晦五世孙，贞元十六年(800年)考中进士科，又考中宏词科。多次征召到方镇幕府任职，逐渐以右补阙升任翰林学士，擅长文辞，唐宪宗李纯特别赞赏他。吴元济平定后，由于书论诏令繁多，迁任司勋员外郎，知制诰。唐穆宗李恒认为杜元颖熟知朝廷典章，对他特别宠幸，拜授中书舍人、户部侍郎，任学士承旨，长庆元年(821年)以本官同中书门下平章事，封建安县男。自皇帝继位，不到一年做到宰相，士大夫都感到惊异。长庆三年(823年)，出任剑南西川节度使、同平章事，皇帝为他到安福门亲自饯行。
唐敬宗李湛骄傲怪僻为君无道，杜元颖常常要迎合皇帝的心意来巩固宠幸的地位，就细细索求奇珍异物献给皇帝，派出寻宝的人在路上接连不断，各种工匠不停制造，苛捐杂税繁多，以至于削减军饷用来资物聚敛。另外军饷供给不及时，戍守边关的士兵饥寒交迫，就依赖像蛮人征收财物来供应所需。因此人人叫苦，他们反而成为蛮人向内地侦查的助手，边境防守松懈。大和三年(829年)，南诏乘虚袭击戎、巂等州，各个屯营一听说贼人来了就逃散，守边的士兵做向导，于是攻入成都。已经逼近城下，杜元颖还不知道，就率领左右人马据牙城防守。贼人大肆掠夺，焚烧外城，毁坏它，停留几天后终走，蜀中的奇珍异宝、能工巧匠、美貌女子全都被抢走了。开始，杜元颖无计可施，准备脱身逃跑，恰巧援兵来到便停止。
唐文宗李昂派使者前去安抚南诏，南诏上书说：“蜀人请求我诛杀暴虐的统帅，没有达到目的，请求陛下诛杀他，以此向蜀人谢罪。”因此贬杜元颖为邵州刺史。议政的人不满意，又贬斥为循州司马。属吏僚佐崔璜、纥干巘、卢并都削夺官职，一一贬逐。开成三年(838年)杜元颖死在贬所，终年六十四岁。快死时上表请求追赠官位，乞求返回故土埋葬。下诏追赠湖州刺史。
杜元颖和李德裕关系好，会昌初年，李德裕任宰相，于是下诏恢复他的官爵。弟弟杜元绛，官位终于太子宾客。