Происходил из придунайских провинций. В 293 году Констанций был провозглашён Диоклетианом Цезарем. На этой должности он проводил кампании против узурпатора Аллекта в Британии, на Рейне против алеманнов и франков. Став Августом в 305 году, Констанций начал успешную карательную кампанию против пиктов и скоттов. Однако в следующем году он скончался в Эборакуме. Его смерть вызвала начало кризиса тетрархии.
Констанций носил следующие победные титулы: «Германский Величайший» — с 294 года, «Британский Величайший» — с 296 года, «Карпийский Величайший», «Армянский Величайший», «Мидийский Величайший», «Адиабенский Величайший», «Персидский Величайший» — с 297 года, «Сарматский Величайший» — возможно, с 299 года, «Сарматский Величайший» (второй раз) и «Германский Величайший» (второй раз) — с 301 года, «Британский Величайший» (второй раз) — с 306 года.
Констанций был членом корпуса протекторов императора при Аврелиане и принимал участие в походе против Пальмирского царства. Согласно книге «История Августов», при Пробе Констанций был дуксом, но это, скорее всего, выдумка. По «Анониму Валезия», Констанций был ещё и военным трибуном. Единственная документально подтверждённая должность Констанция — это назначение его президом Далмации в правление Кара. Было высказано предположение, что после восстания Диоклетиана Констанций перешёл на его сторону и принимал участие в битве при Маргусе в 285 году.
В 286 году Диоклетиан назначает своего друга Максимиана соправителем и даёт ему в управление западные провинции, в то время как сам забирает весь Восток, начиная процесс, который в конечном счёте приведёт к разделению Римской империи на две части — Западную и Восточную. В 288 году, когда срок его пребывания на посту презида Далмации окончился, Констанций был назначен префектом претория при западном императоре Максимиане. На протяжении периода 288—289 годов Констанций под командованием Максимиана принимал активное участие в войне против алеманнов, проведении кампаний на территории варварских племен за Рейном и Дунаем. Для укрепления связей между императором и его влиятельным военачальником в 289 году Констанций отказался от своей супруги (или наложницы) Елены и женился на дочери императора Максимиана Феодоре.
В 293 году Диоклетиан, сознавая амбиции своего соправителя, позволил Максимиану содействовать Констанцию в получении титула императора во время нового разделения империи. Диоклетиан разделяет администрацию Римской империи на две половины, относящиеся к западной и восточной частям. Каждой половиной будет управлять Август при поддержке Цезаря. Оба Цезаря имели право наследования после смерти Августа.
В Медиолане 1 марта 293 года Констанций был официально назначен Цезарем Максимиана. Он принял имя Флавия Валерия и получил под своё начало Галлию, Британию и, возможно, Испанию. Диоклетиан, восточный Август, в стремлении сохранить баланс сил в империи назначает 21 мая 293 года в Филиппополе военачальника Галерия своим цезарем. Констанций был старшим из двух Цезарей, и поэтому в официальных документах он всегда имел приоритет, будучи упомянутым перед Галерием. Столицей Констанция была Августа Тревиров, расположенная на реке Мозелла. В этом городе император начал строительство грандиозного дворцового комплекса, которое было завершено его сыном. Комплекс занимал всю северо-западную часть города.
Первой задачей Констанция после провозглашения Цезарем было подавить восстание римского узурпатора Караузия, который объявил себя императором в Британии и северной Галлии в 286 году. После поражения, нанесённого им Максимиану, тот был вынужден признать власть мятежника. В конце 293 года Констанций осадил и взял штурмом главную базу и гавань Караузия на континенте — Бононию. Большая дамба, стоявшая на входе в бухту, не позволила Караузию прислать к городу подкрепление, и поэтому узурпатор был вынужден сдать город. Вскоре после этого Караузий был убит своим казначеем Аллектом, который провозгласил себя императором.
Констанций провёл следующие два года в нейтрализации угрозы нападения франков, которые были союзниками Аллекта, поскольку северная Галлия оставалась под контролем британского узурпатора по крайней мере до 295 года. Он также сражался против алеманнов и добился некоторых побед в устье Рейна в том же году. Административные проблемы означали, что он совершил по крайней мере одну поездку в Италию в это время. Наконец, в 296 году Констанций посчитал, что достаточно укрепился на континенте, и сдал командование войсками на Рейне Максимиану. Он организовал две флотилии. Одна, возглавляемая самим Констанцием, вышла из Бононии, а вторая под командованием префекта претория Юлия Асклепиодота отплыла из устья Сены. Благодаря сильному туману префект сумел благополучно избежать встречи с главным флотом Аллекта и высадился с армией на острове Уайт. Аллект со всеми имевшимися силами направился навстречу войску Асклепиодота, и это предоставило Констанцию возможность без преград высадиться в Кенте. Однако попытка не увенчалась успехом, потому что из-за сильного тумана часть кораблей не смогла присоединиться к основному флоту, и течением её отнесло к устью Темзы. Спустя некоторое время император отправился на южный берег Ла-Манша, а префекту удалось окончательно разбить Аллекта где-то на севере Гемпшира или Беркшира, в результате чего узурпатор погиб. Однако часть его наёмников из племени франков спаслась и разбойничала вплоть до Лондиния, где их перебили легионеры Констанция, которые разминулись с ним при высадке у кентского побережья и обходной дорогой добрались до провинциальной столицы. Жители города встречали императора как освободителя.
В честь этих побед Констанций выпустил серию больших золотых памятных медальонов. На одном из них с надписью «Милосердие императоров» изображён сам император в львиной накидке, который протягивает руку стоящей на коленях Британии, а Победа водружает ему на голову корону. На другом медальоне, более крупном, находится надпись «Восстановитель вечного света» и изображён Констанций, который скачет на коне к городской стене. Указано, что это город Лондиний.
После возвращения в Галлию в 297 году Констанций заселил там множество пустынных земель франками, чтобы компенсировать значительные потери, вызванные его предыдущими походами на союзников Аллекта и Караузия. В следующем году Констанций сражался в битве при Лингоне против алеманнов. Он был заперт в городе, но был освобождён своей армией спустя шесть часов и победил врага. Император победил варваров снова у Виндониссы, тем самым укрепив оборону рейнской границы. В 300 году Констанций провёл кампанию против франков на Рейне. Однако следующие три года рейнская граница продолжала занимать внимание Констанция. В 303 году Констанций столкнулся с указом Диоклетиана, знаменующим начало Великого гонения на христиан. Из всех четырёх тетрархов Констанций, бывший язычником, приложил минимум усилий для реализации указа Диоклетиана в западных провинциях, которые были под его непосредственным руководством. Он лишь ограничился закрытием нескольких церквей. Евсевий Кесарийский утверждал, что Констанций был христианином.
Между 303 и 305 годом Галерий начал добиваться обеспечения себе возможности взять власть Констанция после ухода Диоклетиана. В 304 году Максимиан Геркулий встретился с Галерием, вероятно, для обсуждения этого вопроса преемственности, и Констанций либо не был приглашён, либо не смог приехать на встречу из-за напряжённой обстановки на Рейне. До 303 года, по-видимому, существовало негласное соглашение между тетрархами, что сын Констанция Константин и сына Максимиана Максенций должны были быть назначены Цезарями после отречения Диоклетиана и Максимиана. К концу 304 года Галерий убедил Диоклетиана (который в свою очередь убедил Максимиана) назначить Цезарями своих ставленников Флавия Севера и Максимина Дазу.
Диоклетиан и Максимиан ушли в отставку 1 мая 305 года, возможно, из-за плохого здоровья Диоклетиана. Флавий Север и Максимин Даза были назначены цезарями. Перед собравшимися войсками в Медиолане Максимиан Геркулий снял свой пурпурный плащ и передал его новому Цезарю Северу и провозгласил Констанция Августом. Та же самая сцена разыгралась в Никомедии, где Диоклетиан объявил Цезарем Максимина Дазу, а Августом Галерия. Констанций, бывший условно старшим императором, управлял западными провинциями, отказавшись от Италии и Африки, в то время как Галерий принял под своё начальство восточные провинции. Константин, разочаровавшись в своих надеждах стать Цезарем, бежал из-под надзора Галерия после того, как Констанций просил восточного Августа освободить его сына по причине своей болезни. Константин присоединился ко двору своего отца на побережье Галлии во время подготовки к кампании в Британии.
В 305 году Констанций переправился в Британию и направился на крайний север острова, начав военную экспедицию против пиктов, и, по всей видимости, одержал победу, о чём свидетельствует победный титул, полученный им 7 января 306 года. После возвращения в Эборакум на зимовку Констанций планировал продолжить кампанию, но 25 июля 306 года он скончался. Когда Констанций умирал, он рекомендовал своего сына солдатам в качестве преемника, и после этого Константин был провозглашён императором легионами в Эборакуме.
В античной литературе Констанций I получает благоприятные отзывы. Языческие и христианские авторы были о нём хорошего мнения, как, например, Евтропий:
Евсевий Кесарийский в своей «Церковной истории» также положительно говорит о Констанции:
Христианские авторы хвалят его за мягкое отношение к их религии и невыполнение указа Диоклетиана о гонении. К тому же своим умелым управлением он мог снискать почёт у своих подданных.
Констанций Хлор является одним из главных героев повести Ивлина Во «Елена».
Имя Констанция осталось в легендах бриттов — так, Гальфрид Монмутский в своей «Истории королей бриттов» уделяет ему несколько глав. Согласно этому произведению, Констанций был послан в Британию римским сенатом после того, как британский король Асклепиодот был свергнут Коелем. Коель согласился платить дань Риму, но умер только через восемь дней. Констанций женился на дочери Коеля Елене и стал королем Англии. Елена родила ему сына Константина, который вступил на престол Британии, когда его отец умер в Йорке одиннадцать лет спустя. Однако Генрих Хантингдонский развенчал легенду о том, что Елена была дочерью британского короля, ведь Констанций развелся с ней ещё до британского похода.