裴秀字季彥，河東聞喜人。祖父裴茂，是漢尚書令。父親裴潛，是魏尚書令。裴秀少年好學，有風度節操，八歲能寫文章。叔父裴徽有大名，賓客很多。裴秀年十餘歲，有些拜訪裴徽的客人，出來後又去拜訪裴秀。然而裴秀母親出身微賤，嫡母宣氏對她無禮，曾使她給客人端飯菜，客人見她後都站起來致禮。裴秀母親說：「我這樣微賤，客人致禮應當是為小兒的緣故啊。」宣氏知道此事後，就不再輕視她了。當時人們有句諺語說：「後進領袖有裴秀。」
渡遼將軍毋丘儉曾將裴秀推薦給大將軍曹爽，並說：「生而聰明，長大後崇尚自然，虛靜守真，性入深奧之道，博學強記，無文不通，孝敬尊長，友善兄弟，美名著於鄉里，高聲聞於遠近。實應為聖明天子之輔臣，登三公之位，參贊於大府，功德昭化天下。不只是子奇、甘羅這一類的人物，兼有顏回、冉求、子游、子夏的美德。」曹爽就將裴秀徵召為掾屬，繼承父爵清陽亭侯，又遷為黃門侍郎。曹爽被殺，因為裴秀是其故吏而被免職。不久又作廷尉正，歷任文帝安東將軍和衛將軍的司馬，他提出軍國之政的謀略，多被信任採納。後遷為散騎常侍。
文帝討伐諸葛誕時，裴秀與尚書僕射陳泰、黃門侍郎鍾會以行台身份從征，參與謀劃。諸葛誕平定後，裴秀轉為尚書，晉封為魯陽鄉侯，增食邑一千戶。魏常道鄉公立為帝，因參與謀立定策，進爵為縣侯，增加食邑七百戶，遷為尚書僕射。魏鹹熙初(264～265)，審查改革各種法律制度。當時荀豈頁制定禮儀，賈充訂正法律，裴秀修改官制，裴秀提出五等爵制，自騎督以上六百多人都得封。於是裴秀封為濟川侯，封地六十里見方，一千四百戶，以高苑縣濟川墟為侯國所在地。
當初，文帝未定嗣位人，而有意立舞陽侯司馬攸。武帝怕不得立，問裴秀說：「人有貴賤之相否？」並把自己身上奇異的標記給裴秀看。裴秀後來對文帝說：「中撫軍在世人中有德望，又有這樣天生的標記，定非做人臣的相貌啊！」自此才定司馬炎為世子。
武帝即王位以後，裴秀拜為尚書令、右光祿大夫，與御史大夫王沈、衛將軍賈充都是開府，加給事中。武帝受禪讓即帝位，加左光祿大夫，封巨鹿郡公，食邑三千戶。
當時安遠護軍郝詡給故人寫信說：「與尚書令裴秀交朋友，是要從他那裡得到好處。」有司上奏要求免去裴秀的官，皇帝下詔說：「一般人不能使別人不對自己指責誣陷，古人也難於做到這一點。在人事交往上，郝詡是有過錯的，尚書令怎能防範呢？不要追究他的責任了。」司隸校尉李熹又上奏說：「騎都尉劉尚為尚書令，裴秀佔用官家稻田，應禁止裴秀這樣做。」皇帝又下詔認為裴秀支撐輔助朝政，有功勳於王室，不能因為小毛病而抹煞他的大德，命令有司追究論定劉尚的罪，也就禁止了這件事。
過了很久，皇帝下詔說：「三司的任務，是維護鞏固皇位，輔助完成帝王大業的。故治國論道，賴三司的明哲，不能勝任此職的人，是不能充數的。尚書令、左光祿大夫裴秀，心胸博大，能深謀遠慮，先帝選拔任用於前朝。朕受命即位，裴秀又輔助光大王業，功高德盛，為國家元勳。應正其位居其宜，以使百事康樂。現任裴秀為司空。」
裴秀對儒學多識博聞，且留心政事，當魏晉禪代之際，總括群臣進言的要領，他所裁定的事，都不違禮。又因自己職位是地官，認為《禹貢》中的山川地名，沿用久遠，後世多有改變，解說者或牽強附會，漸漸混淆不清。於是採集甄別舊文，有疑者缺而不論，古代有其名而當今不用者，也都作出註解，作成《禹貢地域圖》十八篇，上奏皇帝，藏於秘府。書的《序言》說：
「地圖的創製，由來久遠了。古代取法於自然而定制度，即是圖畫原理的運用。夏、商、周設有地輿之官，由國家史官掌其職責。秦末義軍焚燒咸陽時，漢丞相蕭何將秦的圖書都收藏起來了。今秘府所藏之書，既無古代地圖，也無蕭何所得的圖書，只有漢代的《輿地》及《括地》等雜圖，各圖不設尺寸比例，又不確定方位標準，名山大川的名稱也記載不完備，雖粗具其形，而都不精密，不能作為依據。有些是來自邊僻的荒誕之言，不合事實，其內容不可取。
「大晉興國，統一天下，澄清宇宙，征伐四方，始於上庸與蜀，深入其險阻之地，文帝命有司察繪吳蜀地圖。蜀地地圖完成後，六軍所過，地域遠近，山川險易，征路曲直，對照地圖與圖文，沒有一點差錯。今上考《禹貢》山海河流，高地平原沼澤，古之九州，及今之十六州，郡國縣邑，疆界鄉里，以及古國盟會地的舊地名，水陸交通道路，制地圖十八篇。
「繪製地圖的體例有六條。第一是比例，用以辨別面積的大小。第二是方位，用以確定各地之間的方向位置。第三是道裡，用以確定道路的裡數。第四是高下，第五是方斜，第六是曲直，這三條用於不同的地形，用來區別地勢的險峻與平坦。有圖像而無比例，則不能區別遠近；有比例而無方位，雖知道一個地方的大小，卻不知道其在整體上的位置；有方位而無道裡，則如山海隔絕，不能指導交通；有道裡而無高下、方斜、曲直的審定，則道路的裡數必然與實際的遠近不符，或會發生方位的失誤，故繪製地圖必用這六條互相結合使用。然而遠近之實，決定於比例，彼此之實決定於方位，路徑之實決定於道裡，度數之實決定於高下、方斜、曲直的計算。故雖有高山大海之隔，絕域異國之遠，登降曲回之勢，皆可在地圖上辨認出來。方位審定以後，曲直遠近都不會掩蔽實有的地形地位了。」
裴秀創製朝廷禮儀，陳列刑法，朝廷多採納應用，作為範例。在位四年，被稱當世名公。有一次，裴秀服用寒食散，服後應當飲熱酒卻飲了冷酒，於是在泰始七年(271)病死，終年四十八歲。皇帝下詔說：「司空聰敏而有德，舉止儒雅，佐皇室而輔國政，功勳宏大。方將賴其闡釋施行各種法制，為世人作出典範，不幸去世，朕甚痛惜。現賜給棺木、朝服一具、衣一套、錢三十萬、布百匹，謚號為元。」
當初，裴秀以為尚書屬下三十六個部門，各部門所統之事條例不明，應使諸卿各任其職，計劃未及上奏而死。裴秀的友人整理他的書稿筆記時，得到一份上給皇帝的草表，內容是平吳之事，表文說：「孫皓殘酷而暴虐，不趁皇上治世之時兼併闇弱者，此事留給子孫，將不能使孫皓臣服；形勢發展有吉有凶，不會是長久萬安的。臣過去雖多次提及此事，但未形成定見。現在臥病不起，謹以死啟君，願陛下不久能付諸實施。」友人將此草表封好上呈皇帝，皇帝下詔回答說：「司空之死，使我痛悼不已，又看到草表，司空雖在危困時刻，不忘王室，盡忠憂國。看後更加傷懷，當立即與諸賢商議此事。」
咸寧初(275～280)，與石苞等並列為王公之位，配於太廟享祭。裴秀有二子：裴浚、裴危頁。裴浚嗣位，官至散騎常侍，早死。裴浚庶出的兒子裴憬智力低下，另封高陽亭侯，以裴浚少弟裴危頁嗣位。