8歳で父が死亡して後ろ盾を失くしたためか、 初叙（西暦737年（天平9年）従四位下）が29歳と当時の皇族としては非常に遅かった。
西暦749年（天平勝宝元年）、
聖武天皇が譲位し皇太子・阿倍内親王が受禅、孝謙天皇として即位した。
これにより、
同じく聖武天皇の皇女で孝謙天皇の異母姉妹である井上内親王・不破内親王の腹から、
女性皇太子の地位を脅かしかねない男子後継者が生まれる可能性を警戒されることは無くなった。
そして井上内親王・不破内親王姉妹も伴侶を求める機会が与えられることになり、
西暦752年（天平勝宝4年）頃までに、
すでに斎宮を退任していた井上内親王は権力争いに巻き込まれる恐れのない白壁王と結婚した。
西暦754年(天平勝宝6年)の白壁王45歳、
井上内親王38歳の時に酒人女王が誕生。
それから俄然として昇進を速め、
西暦759年年（天平宝字3年）には50歳にして従三位に叙せられる。
西暦761年（天平宝字5年）井上内親王45歳の時、
他戸王（第四皇子）が誕生。
西暦762年（天平宝字6年）に中納言に任ぜられる。
西暦764年（天平宝字8年）には藤原仲麻呂の乱（恵美押勝の乱）鎮圧に功績を挙げ、 称徳天皇（孝謙天皇が重祚）の信任を得て、 西暦766年（天平神護2年）には大納言に昇進した。 だが度重なる政変で多くの親王・王が粛清されていく中、 白壁王は専ら酒を飲んで日々を過ごす事により、 凡庸・暗愚を装って難を逃れたと言われている。
西暦770年（神護景雲4年）、
称徳天皇が崩御する。
生涯独身の称徳天皇に後継者はなく、
また度重なる政変による粛清によって天武天皇の嫡流にあたる男系皇族が少なくなっていた。
しかし妃の井上内親王は聖武天皇の皇女であり、
白壁王との間に生まれた他戸王（他戸親王）は女系ではあるものの天武天皇系嫡流の血を引く男性皇族の一人であった。
このことから天皇の遺宣（遺言）に基づいて立太子が行われ、
同年10月1日、62歳の白壁王は大極殿で即位することとなった（光仁天皇）。
元号は宝亀と改められた。
称徳天皇崩御の際に左大臣・藤原永手、
右大臣・吉備真備、
参議の藤原宿奈麻呂、
藤原縄麻呂、
石上宅嗣、
近衛大将・藤原蔵下麻呂らによる協議が行われたと『続日本紀』は伝えている。
「百川伝」を引用する『日本紀略』などの記述は、
この協議で天武天皇系の長親王の子である文室浄三、
次いでその弟・大市を推した真備と、
白壁王を推す藤原永手・宿奈麻呂らで対立があり、
藤原百川の暗躍によって白壁王の立太子が実現したと伝えている。
即位後、井上内親王を皇后に、他戸親王を皇太子に立てるが、
西暦772年（宝亀3年3月2日）、
皇后の井上内親王が呪詛による大逆を図ったという密告のために皇后を廃され、
5月27日、皇太子の他戸親王も皇太子を廃された。
翌 西暦773年（宝亀4年）高野新笠所生の山部親王が皇太子に立てられた（のちの桓武天皇）。
この背景には、
藤原百川ら藤原式家の兄弟と、
彼らが擁立する山部親王の陰謀があったとされる。
さらに、
翌西暦773年（宝亀4年10月14日）、
天皇の同母姉・難波内親王が薨去すると、
10月19日、
難波内親王を呪詛し殺害した巫蠱・厭魅の罪で、
井上内親王と連座した他戸親王は庶人に落とされ、
大和国宇智郡の没官の邸に幽閉された。
西暦775年5月30日（宝亀6年4月27日）、
井上内親王・他戸親王母子が幽閉先で急死した。
この同じ日に二人が亡くなるという不自然な死には暗殺説も根強い。
これによって天武天皇の皇統は完全に絶えた。
この事件後、 光仁天皇の即位について藤原百川とともに便宜を謀った藤原蔵下麻呂が急死すると、 西暦776年（宝亀7年）、 祟りを恐れた光仁天皇より秋篠寺建立の勅願が発せられる。 開基は善珠僧正。
その後も、
天変地異が続き、
西暦777年（宝亀8年11月1日）には光仁天皇が不豫（病）となり、
12月、山部親王も死の淵をさまよう大病を得た。
この年の冬、雨が降らず井戸や河川が涸れ果てたと『水鏡』は記している。
これらの事が井上内親王の怨霊によるものと考えられ、
皇太子不例（病）の3日後の同年12月28日、
井上内親王の遺骨を改葬し墓を御墓と追称、
墓守一戸を置くことが決定した。
西暦781年（宝亀12年1月1日）、 伊勢斎宮に現れた美雲の祥瑞により天応に改元する。 元日の改元は現在のところ日本史上唯一の事例である。
天皇は70歳を超えても政務に精励したが、 西暦781年（天応元年2月）に第一皇女・能登内親王に先立たれてから心身ともに俄かに衰え、 同年4月3日、 病を理由に皇太子に譲位し、 太上天皇となる。 同年12月23日、 光仁天皇は崩御した。宝算73。
直後の西暦782年（天応2年閏正月頃）、 天武天皇の曾孫・氷上川継によるクーデタ未遂事件が起きた（氷上川継の乱）。 川継の父は藤原仲麻呂の乱（恵美押勝の乱）で戦死した塩焼王、 母は井上内親王の同母妹不破内親王であった。
同年6月14日、 人臣の最頂点である左大臣・藤原魚名が氷上川継の乱に加担していたとして罷免され、 その子の鷹取、末茂、真鷲もそれぞれ左遷された。 藤原魚名は翌西暦783年（延暦2年7月25日）頓死。 光仁天皇の崩御後も政情が落ち着くことは決して無かった。
陵（みささぎ）は、
宮内庁により奈良県奈良市日笠町にある田原東陵（たはらのひがしのみささぎ）に治定されている。
宮内庁上の形式は円丘。遺跡名は「田原塚ノ本古墳」。
崩御の翌年、
広岡山陵に葬られ、
西暦786年（延暦5年）、
田原陵に改葬された。
広岡山陵（広崗陵、廣高陵）については以下の説がある。
光仁天皇陵から道を挟んで向かい側に江戸時代後期の士分（武士）、 歴史地理学者で「平城宮大内裏跡坪割図」を作成したり、 大和の皇陵の調査・修復に尽力した北浦定政（西暦1817年-西暦1871年）の顕彰碑と墓がある。
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。