桓彦范，字士则，润州丹阳人。年轻时因门荫调补右翊卫，升司卫主簿。狄仁杰曾说“：以君的才能，一定能担重任，不限于当初的门荫。”对他礼待甚厚。不久，升任监察御史，至长安三年(703)，升至御史中丞。长安四年(704)，转为司刑少卿。那时，司仆卿张昌宗引妖人占卜，言语中图谋不轨。御史中丞宋瞡要求深究其罪，武后因张昌宗曾自首，不许深究。桓彦范上疏谏“：张昌宗无功而蒙圣宠，心藏叛乱意图，竟然妄测天命，以致皇神降怒，自招罪咎。他之所以自首上报，那是为了一旦事情暴露，可以因自首而免罪；未曾败露，那就等待时机叛逆。
这样凶险奸诈之臣，专谋蛊惑圣心。他既自首，而仍要妖人祈福免灾。此正足以证明他本就无悔改之意。这次如果原谅了他，张昌宗定会自诩应了天运，天下之人也会以为天命所归而跟从。父亲活着时就自称尊的，是为逆子；君主健在时，谋夺君位的，是为逆臣。有逆臣而不诛杀，社稷必亡。恳请将张昌宗交付三司审讯。”武后不听。那时内史李峤等人也多次奏称：“过去遭酷吏诬陷而破家的，请为他们昭雪。”武后犹疑未采纳。
桓彦范再次上疏：“自文明年后获罪之人，除扬州、豫州、博州三州的不可赦外，其他的人均该赦免。”表疏前后共十次，终于被采纳。桓彦范曾说：“大理，是人命所悬之处，一定不可以顺应某些人的旨意而编造假判词以求自己的苟安。”
凤阁侍郎张柬之准备诛杀张易之等人，找桓彦范一同制定策略。那时，以桓彦范、敬晖为左右羽林将军，将禁兵交付给他们。那时，皇太子(后为中宗)住在北门宫中，桓彦范、敬晖谒见太子，秘密陈述诛张计划。神龙元年(705)正月，桓彦范、敬晖率羽林军与将军李湛、李多祚、杨元琰、薛思行等千骑共五百人讨伐张易之兄弟，令李湛、李多祚去东宫迎皇太子，兵到玄武门，桓彦范等人护拥太子斩杀卫兵，夺关而入。士兵们都大声喧闹起来。那时，武后正居住在迎仙宫的集仙殿，就在殿外廊庑下将张易之兄弟处死。武后始见变乱，惊而起身，看见皇太子，说：“原来是你干的，那两个小子既已被杀，你可回东宫了。”桓彦范上前说：“太子今天不可以回东宫。以前天皇去世时将爱子托付给陛下。却一直让他住在东宫。群臣时刻思念天皇之恩德，肃清内难。这是天意人心都归向李家。臣等谨奉天意，希望陛下传位给太子，使李家天下万代不绝，这就是天下之大幸了。”武后又躺下了，不再说话。第二天，则天皇帝正式让位，中宗复位。任桓彦范为侍中，封爵谯郡公，赐实封五百户。
桓彦范又上疏告诫皇帝：“《诗》以《关睢》篇为首，说的是后妃是人伦的根本，国家治乱的开端。所以有了娥皇、女英，舜之道兴旺；有了太任、太姒，周之宗发达。商纣最后逃奔南巢，祸患起于妹喜，鲁桓公的国被灭，根子在于齐姜。此刻臣见陛下每次临朝听政，皇后定要坐在殿上帷幔后面，干预政事。
臣等愚昧，只见史书记载各位君主，有与妇人商量政事的，没一个不是国破身亡的。况且以阴乘阳，是违背天理；以妇驭夫，是违背人理。违背天理将不祥，违背人理为不义。所以《书》上说：‘母鸡叫晨，家庭就会离乱。’《易》上说：‘妇女在家中，是主持饮食的。’意思是妇女不得干预外政。恳请皇上以社稷为重，令皇后不要到正殿参与外朝，专居内宫，修正女教以辅佐天子。
“臣还听说京师市内议论纷纷，都说胡僧慧范矫托佛法迷惑欺骗后妃，得以出入宫禁，扰乱时政。陛下曾微服简从，多次到慧范家去。上下狎玩，有亏尊严。
臣听说兴化达到国治，是由于听信善言；使国家强盛人民安康，是由于坚决除恶。
孔子曾说：‘用旁门邪道来乱政的人，该杀；借鬼神妖魔来危害百姓的人，该杀。’今日的慧范，就是乱政害民的人。若不迅速诛杀，必生变乱。除恶必须铲根，恳请皇上早日裁决。”
皇帝孱弱昏愦，习于左右的谄媚，不能有所醒悟，采纳善言。
不久，有墨敕下来，任方士郑普思为秘书监、任叶静能为国子祭酒。桓彦范苦谏不可以。皇帝说：“已经任命了，不可更改。”桓彦范说“：陛下初复位时就下诏说‘：军国之事全用贞观时的政策。’贞观时，用魏征、虞世南、颜师古等人为秘书监，用孔颖达为国子祭酒，现郑普思等人是方伎庸人之流，靠他们怎能追继前烈的踪迹？臣担心世人会议论陛下用人不择才，随意将上天所赐而给予私心所爱。”皇帝依然不采纳。
那时，武三思因武后被迁往上阳宫的事怀恨在心，又担心武家人会有不利。
韦后此时受皇帝宠幸至极。武三思与她有了奸情，借此勾结一起在皇帝面前说桓彦范等人的坏话，皇帝不由得听信了。
不久，罢免了桓彦范等人的政职。五月，加桓彦范为特进，封爵扶阳郡王，赐姓韦，与韦后同属籍，赐给金银、锦绣，并赐铁券可有免死权，还让他只需初一、十五入朝。表面尊崇，实质剥权。不久，出任..州刺史，又改为濠州刺史。驸马都尉王同皎打算诛杀武三思，不幸事情泄露，武三思诬称桓彦范等是同谋，暗中叫许州司功参军郑忄音去告密。于是，桓彦范被贬为泷州司马，敬晖被贬为崖州司马，袁恕己被贬为窦州司马，崔玄日韦被贬为白州司马，张柬之被贬为新州司马。所有的勋封全部剥夺。武三思又上疏揭发韦后的丑事，请皇帝废黜韦后，且令人把韦后丑事在道旁公布。皇帝极为震怒。
武三思诬陷说“：这可能是桓彦范等人干的。”皇帝命御史大夫李承嘉审讯，寻找张榜的人。李承嘉按武三思的意思奏称“：桓彦范、敬晖、张柬之、袁恕己、崔玄日韦故意暴露丑闻，煽动叛乱情绪。托言废黜皇后，实际上有动摇皇上的意思。
人臣而有反心，该判死。”诏令有司评议该判何罪。大理丞李朝隐上奏“：桓彦范等人未经审讯就判死刑，恐怕会被仇家得到口实，请派御史审讯后再判。”大理卿裴谈要求即刻诛杀，家属及财产没收。
皇帝曾赐铁券，许他没有死罪，于是流放氵襄州，禁锢终身，其子弟十六岁以上的也流放岭外。升李承嘉为金紫光禄大夫、封爵襄武郡公，韦后又赐他彩五百段，锦被一。升裴谈为刑部尚书，李朝隐则遭贬。武三思又暗示节愍太子去向皇帝要求夷灭桓彦范等人的三族，皇帝不同意。武三思担心这五个人以后会又被起用，于是采用崔..的计谋，派崔..的姨兄嘉州司马周利贞用伪制书杀他们。周利贞到贵州，在路上遇见桓彦范，将他绑在竹槎上拖拽，皮绽骨露，最后又用杖打死，死时桓彦范五十四岁。
睿宗即位，对桓彦范等人追复官爵，赐实封二百户，放还其子孙，赠谥为“忠烈”。开元六年(618)，诏令桓彦范与敬晖、崔玄日韦、张柬之、袁恕己都曾勤劳王家，可以配享中宗庙庭。建中三年(782)，再追赠桓彦范为司徒，追赠敬晖为太尉，追赠崔玄日韦为太子太师，追赠张柬之为司徒，追赠袁恕己为太子太傅。
桓彦范擅长撰文，但不很喜欢看书，所专心致志的只有忠孝大略。居家时，好像不大会说话，但到皇帝面前议论事情，即使诘问谴责，也依然镇定自若，据理力争。
在诛杀张易之二人时，张柬之率兵到景运门，准备同时铲除武家人。洛州长史薛季昶劝道：“两个坏蛋虽已诛杀，但‘吕产’、‘吕禄’还在，请一并除掉。”那时天已晚了，桓彦范不想多杀人，就说：“武三思现在只是砧板上的肉罢了，留下给天子使唤使唤罢。”薛季昶叹气说“：我将死无葬身之地了。”不久，武三思偷偷入宫，借韦后的手又盗得朝政大权。当时一同行事的人也叹息“：送我命的人是桓君啊！”桓彦范也说“：皇上过去是英明的君王，所以我留下姓武的，希望皇上自己诛杀他们。如今大势已去，岂不是天意吗？”当初，准备起事时，曾告诉他的母亲，他的母亲说：“忠孝不能两全，为义应该先为国家。”
御史李福业，曾经参与桓彦范的谋划，桓彦范被杀后，李福业也被流放番禺。后来逃到吉州参军敬元礼处躲藏，狱吏将他逮捕，敬元礼也被牵连杀死。
李福业受刑前，向敬元礼道歉：“您还有上人在，我真是对你有愧。”敬元礼说：“您没办法了来投奔我，我能拒绝吗？”见此情况的人都为他们难过。
那时，监察御史卢袭秀也因与桓彦范、敬元礼是朋友而遭到冉祖雍的审讯，卢袭秀不肯屈招。有人告诉他“：有南方使者来，说到桓彦范和敬元礼都已经死了。”卢袭秀潸然泪下。冉祖雍生气地说“：桓彦范等人有叛国罪，你竟然为他们流泪。你犯罪下狱，而你的弟弟们都照样喝酒，毫不着急，为什么？”卢袭秀说“：我没有犯罪，只因为是桓彦范的朋友而受牵连罢了。这一次如果把我的弟弟们都杀了那就完了。如果只杀我一个，我怕你以后不能高枕而卧了！”冉祖雍为他所感，握了他的手说：“我一定要让你活着。”卢袭秀因而没受牵连。
卢袭秀，其祖父卢方庆，武德年间任察非掾，秦王很看重他。曾经与他一同议论建成的事，卢方庆说：“我的母亲老了，请放我回家奉养母亲。”秦王没有坚持留他。贞观年间任高木城县令。
桓彦范的弟弟桓玄范，任官到常州刺史；桓臣范，任工部侍郎。