曹元用字子贞，祖籍阿城，后迁居汶上。元用天资聪敏，性格开朗，幼好读书，过目不忘，每夜读书，常通宵达旦。父亲怕他因此得病，阻止他，他却用衣蔽住窗子，在房内默读。
元用开始任镇江路儒学正，期满考核合格，游于京师。翰林承旨阎复，对于各地来的士子很少有称赞的，见到元用，将他所写的文章给元用看，元用立即指出其中的毛病，复认为元用是个奇才，荐为翰林国史院编修官。元用认为国史院的官员都才不称职，请于测试后录优任用。御史台聘他为属官，元用不曾学过如何办理公务，但对一些事情却能有明确的判断，御史台的属吏们反而要向他请教。转为中书省右司的属员，与清河的元明善、济南的张养浩，并称为“三俊”。后授任应奉翰林文字，又转任礼部主事。在当时历朝皇后死后，还是称其名，没有谥号，元用认为：“后为天下之母，岂可直接称其名，应加上美好的称号，以发扬其美德。”改任尚书省右司都事，转为员外郎。废除尚书省后，他退居任城，在那里住很久，齐、鲁间士人向他求学的甚多。
延..六年(1319)，授太常礼仪院经历，建议太子英宗亲自参加祭祀之事，精心于礼乐。英宗亲自主持祭祀的礼节、仪仗队、车马、服装等制度，都是他裁定的。原来太庙九代皇帝的灵位分室供奉，但都在一殿之内祭祀。仁宗崩，殿内也无室可以供奉了，便在武宗室之前接了一间供奉。英宗上京召集礼官讨论此事。元用认为，应该建大殿于原殿之前，内设十五室。帝认为此议甚好。授元用为翰林待制，升直学士。
至治三年(1323)八月，发生铁失刺杀英宗的事变，贼党赤斤铁木儿突然来到京师，收缴各衙门大印，召两院学士北上。元用一人未去，并声称：“此非常之变，我宁死也不能屈服。”不久，这次政变以失败告终，人们都说元用有先见之明。
泰定二年(1325)，授元用为太子赞善，后转为礼部尚书，兼经筵官，又任大朝会的纠仪官，在退朝时号令循序而退，无夺门而出的事情发生。他认为太医、仪凤、教坊等官，不应列入正班，应自成一列。这些建议均被采纳。丞相拟废除科举制，元用反对：“国家文治正要用此制度，怎么能废！”有人提出对太庙的祭祀由四季减为冬季，元用认为，太庙四时祭祀，缺一不可，这是礼经中规定的，岂可为减少耗费而废应行之礼！
泰定三年夏，发生日食、地震、星变，皇帝诏令廷臣商议消灾之策，元用提出：避免天灾的办法，是不讲空话，但务实际，也就是实行德政。具体说就是：节省一切不应开支的费用，选拔贤能者为各地守令，抚恤贫民，祭祀天地，禁止佛事，停止不必须的制作以减轻人民负担，慎重地实行赏罚以鼓励和惩罚士民。这些意见都切合实际，清除当时政治中的弊端。他还论及科举取士之法，认为应当革除冒名顶替，严格进行考核，使得有真才实学的人得到任用。这些意见朝廷都予以肯定。拜为中奉大夫、翰林侍讲学士兼经筵官，参与修纂仁宗、英宗两朝实录。又奉旨纂集甲令为《通制》，把唐《贞观政要》译为蒙古语言。这些书编成后都流行于世。凡朝廷的文告和命令，都是元用起草的。文宗时他起草宽恤之诏，受到皇帝的称赞，赐金织纹锦。
天历二年(1329)，代表皇帝到曲阜孔子庙举行祭祀，回来献上孔子像及所撰的代祀记，文宗非常高兴。当时太禧宗..院副使缺员，中书奏荐元用充任，文宗不准，说“此人是翰林中所不可无者，将来有大用”。不幸去世，文宗哀悼不已，对侍臣说：“曹子贞尽忠尽力，不幸今亡，可赐安葬费五千缗。”赠正奉大夫、江浙行中书省参知政事、护军，追封东平郡公，谥“文献”。有诗文四十卷，题为《超然集》。