建安二十五年（公元220年）曹丕嗣位為丞相、魏王，改元延康；僅三個月後便正式頒布了陳群提出的“九品官人法”，新製度擦去了“唯才是舉”的最後一抹痕跡，變相承認世家大族仕途特權，並按公卿以下官吏等級分給牛畜和佃戶，在經濟上予以優待。曹丕以此獲得世家大族普遍擁護，也拉開了魏晉南北朝士族門閥社會的序幕。七個月後，即延康元年（公元220年）十一月，在曹氏集團逼迫下漢帝劉協禪位魏王，曹丕終於登上皇帝寶座，建立魏帝國（後世多稱曹魏、前魏），追尊其父曹操為魏武帝，再度改元黃初，修複洛陽定為都城。中國曆史正式步入三國時代。
翌年，占據益州的漢中王劉備以延續漢統為名自立稱帝，國號仍稱漢（後世多稱蜀漢、季漢），改元章武。孫權雖有九五之誌，但已向曹操父子稱臣，又鑒於與劉備嚴重的敵視狀態暫時屈居王爵，直至八年後（公元229年）才正式稱帝，國號為吳（後世多稱孫吳、東吳），改元黃武。
曹丕爭奪儲君的道路走得異常崎嶇，但實際在位僅七年。其當政期間最受後人詬病的是對孫劉戰爭的立場問題——襄樊之戰後劉備喪失荊州，又因內部矛盾導致孟達叛投曹魏，上庸之地也隨之落入曹魏之手。劉備震怒，處死義子劉封，雖為親生子解決了潛在的爭位對手，但蜀漢勢力已陷入困境。他稱帝後三個月立刻發動東征，意圖奪回荊州，卻被江東大將陸遜以逸待勞，用火攻之法擊敗，幾乎全軍覆沒，史稱“夷陵之戰”。
整個戰爭期間曹丕始終處於觀望姿態，後世諸多論者指責他未能乘劉備伐吳之際直搗江東心髒，僅滿足於孫權稱臣的表麵勝利，錯失了統一天下的良機。但三國的關係是此消彼長離強和弱的，曹丕如果趁火打劫也極有可能導致劉孫之間的妥協，相反坐山觀虎鬥至少可以保證劉孫某一方受到削弱，不失為穩妥之策，以此指摘曹丕缺乏遠見未免過苛。他在位期間注重民生、禁止厚葬淫祀、防止外戚宦官幹政、重視水利建設，在黃初五年（公元224年）、黃初七年（公元226年）先後兩次發動廣陵之役，表麵向孫氏用武，實際卻趁機解除青徐豪族首領臧霸的兵權，繼而平滅唐蔡方、唐谘等殘餘勢力掀起的“曆城兵變”，將青徐沿海收歸朝廷直轄。客觀來講曹丕之才略雖不及其父，卻仍不失為明主，在文學詩賦方麵的造詣也很高，況乎掌國隻七年，又在稱帝問題上耗費不少精力，曆史舞台並沒給他多少表演時間。
但曹丕睚眥必報的狹隘性格在其當權後表現得淋漓盡致：曾給他繼位造成危機的丁儀、丁廙兄弟滿門抄斬。孔桂雖被任為駙馬都尉，但沒過多久曹丕就抓個受賄的罪名將其處死。楊俊也因擁護曹植遭到忌恨，卻礙於其廣有賢名暫時未加處置，轉任南陽太守，三年後曹丕南巡，借口南陽治理不佳逼迫其自盡。鮑勳因處死郭氏之弟也被曹丕懷恨在心，又因屢次直諫開罪更深，終被曹丕以欲加之罪處死……對手足兄弟曹丕也頗為刻毒，雖不吝冊封王爵，卻將他們遣往封國，不準他們擅離封地、不能掌握封國軍政，由朝廷派遣相國，情同軟禁。但這也使得曹魏宗室勢力衰弱，為後來埋下隱患。
曹彰受封任城王，封邑達一萬戶，但黃初四年（公元223年）入京朝覲期間暴斃於府邸，年僅三十五歲，野史傳說他是被曹丕毒害的，未知真假。曹植雖不似民間傳說的那樣被逼作七步詩，卻也飽受欺淩，初封安鄉侯，又改鄄城侯、鄄城王，於文、明兩朝數次徙封，曆雍丘、東阿、陳郡等地，落寞漂泊，直至太和六年（公元232年）在憂鬱中病逝，終年四十一歲。