司馬曜四歲時被封為惠濟王，372年簡文帝去世前夕，年僅十壹歲的司馬曜被封為皇太子並繼承了王位。最初是輔佐傅桓溫的，桓溫於373年去世，由皇太後朱琮子從騷崇德任命。376年，太後重掌朝政，實權掌握在以謝安為代表的陳郡謝氏家族手中。383年，在謝安等人的幫助下，擊敗前秦軍隊，取得了淝水之戰的勝利，挽救了東晉的國運。
司馬曜利用士族人才缺口的間隙，突破士族政治格局，恢復司馬皇權，於是以其弟司馬道子取代謝安，成為東晉江左開國以來最有權勢的君主。但他縱情享樂，縱情聲色，與司馬道子爭權奪利，形成“主和主相持”的局面，導致國家大事日益暗淡。後來，因為司馬曜和他最愛的張貴人喝酒後開玩笑，張貴人壹怒之下殺了他，時年35歲。他死後，孝武帝葬在龍平陵。
司馬曜擅長書法和文學，著有兩卷，已去世；《淳化亭帖》收錄了他的書法作品《王翹帖》。
據史料記載，司馬曜的出生頗具超自然力。這個說法有不同的版本。《晉書》記載，惠濟王司馬昱年過四十，兒子司馬道生被廢黜，司馬昱也死了，其他兒子也都早逝。因此，他非常焦慮，並盡最大努力生兒子。最後，相士被要求去探望嬪妃。結果，半仙看中了李陵容這個皮膚黝黑的婢女，司馬昱便召她為侍女。李陵容多次夢見雙龍的枕頭，壹天天倒在他懷裏。後來，他真的生下了司馬曜兄弟和鄱陽長公主。據說，在司馬曜出生前夕，李陵容夢見壹位仙女在她懷孕時對她說:“妳生了壹個以長明為字的男人。”當東方紅明確表態的時候，常明是二話不說。司馬昱曾看到“金作金盛”的預言。當司馬曜出生時，他真的以長明為詞，他忍不住流下眼淚說:“沒想到我們司馬家的繁榮會出現這種情況！”
《太平經》中記載了壹個叫濮陽的道士，惠濟王司馬昱曾經請他做繼承人。半夜，黃氣從西南方開始，遠遠地落到房間裏，然後李陵容懷上了司馬曜。
《真明授誥》卷八記載，升平五年（361）六月二十三日，司馬昱求嗣時，壹連有四個真人降誥，其中魏紫夫人所立的誥為:“影詭壹面，自覺玲瓏。洗奢萌，講究德必克昌。”後來，在夫人的詩中發現了孝武帝“姚”的名字和“昌明”的字樣。
司馬昱在簡文帝去世後，十壹歲的司馬曜繼位。當時，他還在為簡文帝哀悼，但司馬曜晚上仍然沒有哭。他告訴左右派:“哭是習慣。”司馬曜說:“當悲傷到位時，妳自然會哭。怎麽會有什麽公約！”