Цао Пэй родился в семье Цао Цао от одной из его наложниц, будущей императрицы Бянь (настоящее имя неизвестно) когда отец был простым чиновником среднего уровня без особенных перспектив. Детство будущий император провёл без отца — Цао Цао в это время находился в войнах, и как воспитывался Цао Пи — достоверно не известно. В 211 году он был назначен заместителем чэнсяна (канцлера), то есть своего отца. Тогда же в сражении погиб его старший брат Цао Ан, и Цао Пэй остался старшим братом в семье, однако это не делало из него наследника престола — Цао Цао долго колебался кого назначить наследником: Цао Пэя, или его брата Цао Чжи, который был более талантлив как поэт. В конце концов, слабые административные способности Цао Чжи и совет полководца Цзя Сюя о том, что отступление от принципа престолонаследия может быть использовано врагами, решили дело в пользу Цао Пэя.
В 220 году умер Цао Цао, и власть в Вэй перешла к Цао Пэю. Несмотря на то, что Цао чётко определил наследника, первое время был некоторый беспорядок: Цао Пэй на момент известия о смерти отца был в военном лагере в городке Ечэн, и его брат Цао Чжан ввёл войска в Лоян — столицу Вэй. Узнав об этом, Цао Пэй выпустил от имени матери указ, согласно которому он вступал в должность, занимаемую ранее его отцом. Первые действия нового императора были направлены на укрепление своей власти и ограничение полномочий братьев. После этого Цао Пэй низложил императора Сянь-ди, который ранее полностью контролировался Цао Цао, и объявил об основании новой династии Цао Вэй. Цао Пэй дал низложенному императору титул гуна и дал ему во владение Шаньян. Своему отцу он дал посмертное имя Мэн Вэй, также считая его императором.
Цао Пэй также был выдающимся поэтом и литератором. За свою жизнь, он написал более ста стихотворений и первый в Китае трактат об изящной словесности «Рассуждения о классическом». На русский язык его стихотворения были переведены Кравцовой М. Е.
Восточная поэтика: Тексты. Исследования. Комментарии. — М, 1996. Кравцова М. Е. Поэзия древнего Китая. СПб 1994.