司马伦生年不详，字子彝，是晋宣帝司马懿的第九子，生母为柏夫人。

曹魏嘉平初年（249年），司马伦被封为安乐亭侯。五等爵制建立后，改封东安子，拜谏议大夫。

晋武帝司马炎即位后，封他为琅琊王。

他曾命散骑将刘缉收买工所的人偷盗御裘而获罪，廷尉杜友依法判刘缉斩首弃市，司马伦也应同罪，但因他地位尊贵且是皇室亲属，相关部门为其求情，谏议大夫刘毅则认为法律应不分贵贱，晋武帝最终赦免了他的罪行。

司马伦到封国后，担任东中郎将、宣威将军。

咸宁年间（275年—279年），司马伦改封赵王，升任平北将军、都督邺城守事，后又晋封为安北将军。

元康初年（291年），迁为征西将军、开府仪同三司，镇守关中，因赏罚不公，导致氐族、羌族反叛，被召回京师，不久拜为车骑将军、太子太傅。

他与晋惠帝的皇后贾后及其母郭槐来往密切，态度谄媚，成为贾后的亲信。

元康九年（299年）十二月，愍怀太子司马遹被贾后陷害而废黜太子之位，司马伦担任右军将军。

次年，左卫司马督司马雅以及常从督许超，因曾侍奉太子且为其无罪被废而不平，他们与殿中中郎士猗等谋划废掉贾后，恢复太子之位，因张华、裴頠不愿参与，他们便游说司马伦的宠臣孙秀。

孙秀将此事告知司马伦，起初计划按原谋进行，但孙秀担心太子复立后自己不受重用，便劝司马伦暂缓行动，让贾后害死太子，再出面废贾后，司马伦听从了该意见。

之后孙秀传播流言，称有人谋划迎回太子，又劝贾谧等人及早杀死太子，太子最终被害。