文正元年（1466年），作為細川勝元的長男誕生。細川是有名的望族，足利氏方興的時候就輔佐足利氏打天下。最有名的細川賴之，是足利義滿友師之見的老臣，壹生忠心，不計勞苦，為義滿平定群雄，厥功甚偉。他的子孫世代都是足利將軍的重臣，到細川勝元，幾次轉任幕府管領之職，聲勢淩駕將軍之上。
文明5年（1473年）5月，勝元暴死。政元僅僅8歲就繼承家督和丹波國、攝津國、土佐國守護之位。因年幼，受到分家的典廄家當主細川政國的輔佐。文明6年（1474年）4月3日，細川、山名兩家在將軍足利義尚的調解下議和，“應仁之亂”結束。雖然表面上雙方打成了平手，而實際上則是細川家獲勝。
文明10年（1478年）7月元服，“政元”之名據其自稱是接受8代將軍足利義政的偏諱而來。後被任命為管領，但不久辭職。1489年將軍義尚在討伐南近江半國守護六角高賴時病死，無子。細川政元推舉關東堀越公方足利政知之子禪僧香嚴院清晃（後來的足利義澄）為將軍，但在大奧實權掌握者日野富子（8代將軍足利義政正室）和與政元交替任管領的畠山政長的支持下，足利義視之子義材（後改名義尹、義稙）就任室町幕府第10代將軍。政元對這壹結果不滿，開始與幕府拉開距離。義材就任將軍後，義視和政長的權勢大漲。延德3年（1491年）1月義視去世後，政長壟斷了幕府的權力。
同年3月政元到東國旅行，拜訪了越後國守護上杉房定。本來還預定去奧州，因從義材處收到討伐六角高賴的出陣指令而放棄。4月返京，這次旅行的意圖是拉攏與堀越公方足利政知合作的房定，也計劃了和政知的會見，因政知去世而返京。從這個時候開始計劃後來被稱為“明應之變”的政變。 明應2年（1493年），將軍義材出兵河內國，支持畠山政長、討伐畠山義豐，細川政元趁機聯合日野富子（富子後與義視父子不和）、伊勢貞宗率軍攻入京都，擁立原將軍候選人足利義澄為室町幕府第11代將軍。史稱“明應之變”。
政變剛開始時屬於政長方的赤松政則也投向政元方，孤立無援的政長自殺。擁有巨大的權力的畠山家的勢力被大大削弱。義材也被抓，被幽閉京都龍安寺。明應3年（1494年），清晃還俗稱足利義高（後又改名義澄）正式就任將軍，政元就任管領。但將軍只是傀儡，實權都握在管領政元手中。廢立將軍在室町幕府中是首次，這之後的足利將軍幾乎都是毫無實權、徒有虛名的了。
但是，也有幕府權力仍存在的看法：伊勢貞宗在富子的意向下，輔佐義澄，屢次抑制政元的行動。另外，主導了政變的家臣上原元秀突然去世，京兆家政變的家臣消極占多數，京兆家盡量容忍幕府的意向，重點轉換到提防義材派卷土重來的方向，因此也有政變後幕府和京兆家進入關系協調狀態的看法。 政變後流亡越中國、建立亡命政權越中公方的足利義稙，在紀伊、河內、越中守護畠山尚順（畠山政長之子）的支持下於明應8年（1499年）率北陸之兵侵攻近江，比睿山延歷寺也暗中支持。政元快速地察覺了延歷寺的行為，立刻轉移行動，命赤澤朝經和波波伯部宗量在7月11日的早晨對延歷寺采用了大規模火攻，這次行動把根本中堂、大講堂、常行堂、法華堂、延命院、四王院、經藏、鐘樓等山上的主要伽藍盡數燒毀。朝經乘勢於9月向河內國舉兵擊破畠山尚順，尚順逃往大和國。12月政元以同樣的氣勢進攻大和國。追擊筒井順賢、十市遠治等國人眾，火攻喜光寺、法華寺、西大寺、額安寺，占領了大和北部。朝經的壹連串工作使細川氏的版圖大幅度擴大了。
永正元年（1504年），攝津守護代藥師寺元壹謀反，被政元血腥鎮壓。永正3年（1506年）7月討伐河內的畠山義英（義豐之子）和畠山尚順，赤澤朝經再度被派遣，返回大和國展開侵攻。永正4年（1507年）又攻紀伊國。並且在得到若狹國的武田元信幫助下，派養子細川澄之、細川澄元等人進攻丹後國守護壹色義有。細川家的版圖又得到擴大，同時政元又扶植播磨守護赤松政則對抗山名，扶植豐後國守護大友政親和出雲國守護尼子經久對抗大內氏。細川京兆家進入全盛時期，政元被稱為“半將軍”，天下“只知細川管領、不知足利將軍”。 但是盛世之下必有隱憂，細川家的隱憂甚至可以稱得上是悲劇。
細川政元篤信“修驗道(山嶽信仰）”，他熱衷於得到天狗之術在空中飛翔以及可疑的修行，有突然到各國放浪旅行之奇行。也有政元出奔後幕政陷入混亂，將軍義澄親自勸說結束出奔的事情。
不久，實際的政務重點放在被稱為“內眾“的京兆家重臣們的合議上，文龜元年（1501年），政元規定了內眾合議的權限等，制定了內眾控制式條。
政元的情緒化也反映在家督繼承問題上。也是由於篤信修驗道，他壹直沒有娶妻生子。1502年9月，細川政元以繼承家督為條件收養了關白九條政基之子聰明丸，改名澄之。究其原因，是因為時任幕府將軍足利義澄之母與澄之的母親是親姐妹，都是公家武將武者小路隆光的女兒。但這引來了多數家臣的不滿，他們認為細川氏的家督不應當出身公家。再加上政元本身也並不喜歡聰明丸，於是在1503年5月，政元宣布廢嫡，另立的家督繼承人為新收養子澄元。澄元並非京兆細川氏壹門，而是阿波細川氏家督細川成之的孫子（成之次子細川義春的次子）。結果澄之、澄元兩派的矛盾達到尖銳化。另外，政元還收細川氏壹門、野州家的高國為養子，這之後更加混亂連連。
壹系列戰爭之後，政元逐漸厭惡戰亂，說出想和奧州的修驗者回國修行的想法，因家臣三好之長的忠告而放棄。
永正4年（1507年），為了救援正攻擊壹色義有的武田元信，5月29日政元奉旨歸京。
同年6月23日，前往河內天井溫泉沐浴。對政元極其不滿的細川澄之派的家臣竹田孫七、香西元長、藥師寺長忠潛入溫泉，將政元亂刀砍死，史稱”永正錯亂“或“永正之變”。政元時年42歲。
細川政元出爾反爾，最終釀成大錯。否則以他的能力完全有統壹天下的可能。