万寿2年（1025年）8月3日、誕生。2日後に生母の東宮妃嬉子が薨去。 長元9年（1036年）2月22日、親王宣下。 長暦元年（1037年） 7月2日、元服、三品に叙される。 8月17日、皇太子となる。 寛徳2年（1045年）1月16日、病床の先帝（後朱雀天皇）から譲位。 4月8日、即位。 治暦4年（1068年）4月19日、在位のまま崩御。宝算44。 治世下では、荘園の増加によって国家財政が危機的状態にあり、その整理が必要とされていた。それら荘園の主たる領主が藤原頼通ら権門であった。天皇は即位早々の寛徳2年、及び天喜3年（1055年）に荘園整理令に着手するが、結果的には権門擁護策に終わる（増加の抑制の成果については肯定的な見方もある）。 頼通の娘寛子を皇后とした。頼通は一人娘の寛子に皇子誕生の望みをかけ、その暁には皇太弟尊仁親王（後三条天皇）と交代させようとして皇太弟を冷遇したが、遂に皇子は生まれなかった。後冷泉天皇の崩御により、異母弟で藤原氏を直接の外戚としない後三条天皇が即位することになる。 ただ康平2年（1059年）に皇子は誕生したものの母親が内裏女房で菅原氏の僧の娘だった影響か養子に出され、後冷泉天皇の乳母子で後に白河天皇の近臣となる高階為家[1]の養子となって高階為行と名乗り一生を終えている。
後冷泉天皇は三后並立の唯一の例である。後の鳥羽天皇や二条天皇、後堀河天皇にも中宮・皇后となった后妃が3人いたが、同時期に3人の后が並立したのは後冷泉天皇が唯一である。 初めに立后されたのは東宮時代からの妃であった章子で、次いで関白頼通の娘・寛子が立后されたが、寛子立后にあたり、通常ならば先立の中宮である章子を皇后宮、寛子を中宮とするところを、章子の希望で章子は中宮のまま留め置かれ、寛子が皇后宮とされた。その後、崩御の直前に頼通の致仕により教通が関白となり、天皇の意志で教通の娘・歓子が立后されたが、歓子立后にあたっては中宮章子が皇太后、皇后宮寛子が中宮とされ、歓子は皇后宮とされた。その後、後三条天皇の后・馨子内親王の立后にあたって、章子が太皇太后、寛子が皇太后、歓子は皇后宮のままとされ、新立の馨子が中宮となり、通例に戻された。
陵（みささぎ）は、宮内庁により京都府京都市右京区竜安寺朱山の龍安寺内にある圓教寺陵（円教寺陵：えんきょうじのみささぎ）に治定されている。宮内庁上の形式は円丘。 また皇居では、皇霊殿（宮中三殿の1つ）において他の歴代天皇・皇族とともに天皇の霊が祀られている。