Грациан был провозглашён отцом, императором Валентинианом I, со-правителем Западно-Римской империи с титулом августа в 367 году. В 375 году после смерти отца он стал правящим императором в возрасте 16 лет. Одним из самых значительных его деяний в качестве правителя было назначение в 379 году военачальника Феодосия (получившего прозвище Великий) императором Восточной Римской империи. 24-летний Грациан был убит заговорщиками в Галлии в результате военного мятежа Магна Максима.
Флавий Грациан родился 18 апреля 359 годa в Сирмии (совр. сербский Сремска Митровица) в семье римского офицера в ранге трибуна Валентиниана и Марины Севиры. Его назвали в честь деда, отца Валентиниана, который командовал войсками в должности комита в Африке и затем в Британии.. В 364 году армия провозгласила популярного военачальника Валентиниана римским императором. Валентиниан избрал себе для правления Запад, а восточную часть Римской империи отдал своему брату Валенту, которого сделал императором-соправителем. В 366 году семилетний Грациан был назначен консулом.
В 367 году Валентиниан тяжело заболел в Галлии во время кампании против вторгшихся аламаннов. Среди его военачальников сразу же разгорелись споры по выбору нового императора на место умирающего правителя. Как только Валентиниан поправился, он вызвал Грациана к себе в военный лагерь и, стремясь сохранить преемственность власти, провозгласил 8-летнего сына своим соправителем с титулом августа, то есть полноправным императором. Современник событий Аммиан Марцеллин подробно описал процедуру избрания Грациана в императоры:
Грациан был титулован сразу августом в галльском городе Амбианах, что по словам Марцеллина стало нарушением обычая даровать детям титул цезаря, который по статусу давал правящему императору меньшие полномочия, чем высший титул августа. На монетах, выпущенных в честь Грациана в Арелате, он был назван «Славой Нового Века» (лат. GLORIA NOVI SAECVLI). Валентиниан стал готовить сына к браздам правления. Он взял его в 368 году в поход на германцев за Рейн, где Грациан постоянно находился среди солдат. Воспитателем Грациану определили ритора и известного поэта Авсония, который сопровождал титулованного мальчика в военных походах отца, сумел дать ему неплохое образование и даже привил интерес к сочинению стихов.
После развода с Мариной Севирой около 370 года Валентиниан взял в жёны Юстину, от которой на следующий год у него родился сын, тоже Валентиниан.
В 374 году 15-летнего Грациана женили на Констанции, дочери императора Констанция II (правил в 337—361 гг.). Местом жительства Грациана была императорская резиденция в Тревирах.
Император Валентиниан I неожиданно скончался 17 ноября 375 года в Паннонии в начале военной компании против племени квадов за Дунаем. Таким образом остался только один император Запада — Грациан. Император Восточно-Римской империи Валент, который мог бы организовать спокойную передачу власти, находился в далёкой Сирии. 16-летний Грациан находился также далеко, в Тревирах. Полководцы Валентиниана I под предлогом предупреждения волнений в армии решили сделать императором 4-летнего Флавия Валентиниана, проживавшего с матерью на вилле в 100 милях от места событий.
22 ноября 375 года сводный брат Грациана Валентиниан был провозглашён в армейском лагере Брегицион (на территории совр. Венгрии) императором Запада, соправителем Грациана. Аммиан Марцеллин сообщил о реакции Грациана на избрание военачальниками нового императора:
По словам Зосимы правящая при юных императорах свита разделила сферы влияния. К домену Грациана отходили Галлия, Испания и Британия, Валентиниан же должен был править Италией, Иллириком и африканскими провинциями. При Валентиниане делами распоряжались его мать Юстина и префект Проб, однако контроль за всей армией Западной Римской империи сохранялся за Грацианом.
В 377 году восставшие готские племена захватили территорию Фракии и Мезии (см. статью Готская война (377—382)). Император Востока Валент попросил военную помощь у племянника, императора Грациана. Тот отправил на помощь дяде легионы из Паннонии под началом Фригерида и отряды из Галлии под началом начальника императорской гвардии Рихомера. Этих сил оказалось недостаточно, чтобы разгромить готов, и тогда в следующем году Грациан сам решил возглавить войска, направленные против варваров. Вторжение в Галлию в феврале 378 года аламаннского племени лентиензов через верхний Рейн задержало его поход во Фракию.
Полководцы Грациана Нанниен и Маллобавд полностью разгромили 30—40-тысячное войско лентиензов при Аргентарии,. После этого Грациан повёл армию в их земли за Рейн, где после упорных сражений заставил варваров покориться и принять римские условия мира. Аммиан Марцеллин высоко оценил заслуги молодого императора: «Эту победу, столь вовремя пришедшую и важную по своим последствиям в том смысле, что она ослабила силу сопротивления у западных народов, одержал по мановению вечного бога Грациан благодаря своей прямо невероятной энергии.».
Грациан после победы над лентиензами двинулся на соединение с Валентом, однако последний ввязался в генеральное сражение с готами, не дождавшись подхода западных легионов. 9 августа 378 года в битве под Адрианополем римская армия была разбита, а император Валент погиб.
По заведенному в империи порядку Грациан должен был назначить соправителя для управления Восточной частью Римской империи, причем ввиду сложившейся обстановки желательно из числа людей, обладавших военными талантами. Своему формальному соправителю в Западной империи, малолетнему брату Валентиниану, Грациан не рискнул доверить власть над Востоком. По мнению историка Дэвида Вудса у Грациана фактически не было выбора, поскольку все его полководцы, судя по именам, были родом из варваров, и только командующий войсками в Иллирике Флавий Феодосий происходил из благородной римской семьи.
19 января 379 года в Сирмии Грациан провозгласил Феодосия императором Восточной Римской империи и после первых побед последнего над варварами вернулся летом 379 в Тревир. Вскоре он перенёс свою столицу из Галлии на север Италии, в Медиолан.
В Медиолане Грациан попал под влияние епископа Амвросия, который ещё раньше склонил 20-летнего императора к никейской форме христианства, получившей при Феодосии Великом определение как католическая или православная вера.
Грациан был первым римским императором, отказавшимся в начале правления от предложения римских жрецов принять священный титул Великого Понтифика, считая его несовместимым с христианской верой. Законы в 376—377 гг. от его имени направлены против еретических течений в христианстве. Император был с раннего детства очень набожным.
В 381 году он приказал вынести алтарь и статую Победы из здания римского Сената, а позднее конфисковать имущество религиозных языческих объединений, лишив их государственных субсидий. В том же году Грациан созвал в Аквилее собор, на котором фактически было осуждено арианство в иллирийских провинциях империи.. В частных письмах к своему наставнику Св. Амвросию Грациан обнаруживает искреннее желание разобраться в вопросах веры и строго следовать принципам христианского учения.
Хотя главную заслугу в деле превращения христианства в государственную религию Римской империи христианские историки отдают Феодосию Великому, Грациан также сделал немало для утверждения христианства никейской формы на западе империи.
Весной или летом 383 года скончалась Констанция, первая жена Грациана. Тем же летом император взял в жёны Лету, имя которой упомянуто только в истории Зосимы. Их брак длился считанные дни из-за мятежа Магна Максима.
В 383 году римский полководец в Британии Магн Максим, провозглашённый своими солдатами императором, высадился в устье Рейна. Часть Германской армии перешла на его сторону. По словам Зосимы и Аврелия Виктора римские солдаты в Галлии винили Грациана в усилении варварского элемента в армии:
Армия Грациана встретилась с войском Максима под Парижем. Небольшие столкновения продолжались 5 дней, затем к узурпатору перешла мавританская конница Грациана, остальные его солдаты также стали склоняться к переходу. Проспер Аквитанский сообщил об измене командующего армией Грацина, франка Меробавда. Другой военачальник Грациана, Валлио, был казнён Максимом. Грациан бежал от своей армии с конным отрядом в 300 всадников.
Источники по разному передают обстоятельства гибели Грациана. По Зосиме Грациан бежал на восток. В погоню за ним Максим отправил своего начальника конницы Андрагафия, который настиг императора в Верхней Мезии и убил на мосту в Сигидуне (совр. Белград).
Однако другие авторы свидетельствуют, что Грациан погиб 25 августа 383 года под Лугдунумом (совр. франц. Лион).
Сократ Схоластик привёл такой рассказ о гибели Грациана:
Грациан погиб в 24 года, не оставив детей. Власть над Западной Римской империей разделили по мирному соглашению между собой узурпатор Магн Максим и сводный брат Грациана император Валентиниан, который удержался у власти только благодаря энергичным действиям своего полководца Баудона.
Аврелий Виктор и Аммиан Марцеллин оставили развёрнутые характеристики личности Грациана. По словам Марцеллина молодой император отличался способностями и мягким характером, но под влиянием дурного окружения слишком увлекался охотой и другими забавами в ущерб государственной деятельности. Аврелий Виктор согласен с этим: