裴秀字季彦，河东闻喜人。祖父裴茂，是汉尚书令。父亲裴潜，是魏尚书令。裴秀少年好学，有风度节一操一，八岁能写文章。叔父裴徽有大名，宾客很多。裴秀年十余岁，有些拜访裴徽的客人，出来后又去拜访裴秀。然而裴秀母亲出身微贱，嫡母宣氏对她无礼，曾使她给客人端饭菜，客人见她后都站起来致礼。裴秀母亲说：“我这样微贱，客人致礼应当是为小儿的缘故啊。”宣氏知道此事后，就不再轻视她了。当时人们有句谚语说：“后进领袖有裴秀。”
渡辽将军毋丘俭曾将裴秀推荐给大将军曹爽，并说：“生而聪明，长大后崇尚自然，虚静守真，一性一入深奥之道，博学强记，无文不通，孝敬尊长，友善兄弟，美名著于乡里，高声闻于远近。实应为圣明天子之辅臣，登三公之位，参赞于大府，功德昭化天下。不只是子奇、甘罗这一类的人物，兼有颜回、冉求、子游、子夏的美德。”曹爽就将裴秀征召为掾属，继承父爵清陽亭侯，又迁为黄门侍郎。曹爽被杀，因为裴秀是其故吏而被免职。不久又作廷尉正，历任文帝安东将军和卫将军的司马，他提出军国之政的谋略，多被信任采纳。后迁为散骑常侍。
文帝讨伐诸葛诞时，裴秀与尚书仆射陈泰、黄门侍郎钟会以行台身份从征，参与谋划。诸葛诞平定后，裴秀转为尚书，晋封为鲁陽乡侯，增食邑一千户。魏常道乡公立为帝，因参与谋立定策，进爵为县侯，增加食邑七百户，迁为尚书仆射。魏咸熙初(264～265)，审查改革各种法律制度。当时荀岂页制定礼仪，贾充订正法律，裴秀修改官制，裴秀提出五等爵制，自骑督以上六百多人都得封。于是裴秀封为济川侯，封地六十里见方，一千四百户，以高苑县济川墟为侯国所在地。
当初，文帝未定嗣位人，而有意立舞陽侯司马攸。武帝怕不得立，问裴秀说：“人有贵贱之相否？”并把自己身上奇异的标记给裴秀看。裴秀后来对文帝说：“中抚军在世人中有德望，又有这样天生的标记，定非做人臣的相貌啊！”自此才定司马炎为世子。
武帝即王位以后，裴秀拜为尚书令、右光禄大夫，与御史大夫王沈、卫将军贾充都是开府，加给事中。武帝受禅让即帝位，加左光禄大夫，封巨鹿郡公，食邑三千户。
当时安远护军郝诩给故人写信说：“与尚书令裴秀交朋友，是要从他那里得到好处。”有司上奏要求免去裴秀的官，皇帝下诏说：“一般人不能使别人不对自己指责诬陷，古人也难于做到这一点。在人事交往上，郝诩是有过错的，尚书令怎能防范呢？不要追究他的责任了。”司隶校尉李熹又上奏说：“骑都尉刘尚为尚书令，裴秀占用官家稻田，应禁止裴秀这样做。”皇帝又下诏认为裴秀支撑辅助朝政，有功勋于王室，不能因为小一毛一病而抹煞他的大德，命令有司追究论定刘尚的罪，也就禁止了这件事。
过了很久，皇帝下诏说：“三司的任务，是维护巩固皇位，辅助完成帝王大业的。故治国论道，赖三司的明哲，不能胜任此职的人，是不能充数的。尚书令、左光禄大夫裴秀，心胸博大，能深谋远虑，先帝选拔任用于前朝。朕受命即位，裴秀又辅助光大王业，功高德盛，为国家元勋。应正其位居其宜，以使百事康乐。现任裴秀为司空。”
裴秀对儒学多识博闻，且留心政事，当魏晋禅代之际，总括群臣进言的要领，他所裁定的事，都不违礼。又因自己职位是地官，认为《禹贡》中的山川地名，沿用久远，后世多有改变，解说者或牵强附会，渐渐混淆不清。于是采集甄别旧文，有疑者缺而不论，古代有其名而当今不用者，也都作出注解，作成《禹贡地域图》十八篇，上奏皇帝，藏于秘府。书的《序言》说：
“地图的创制，由来久远了。古代取法于自然而定制度，即是图画原理的运用。夏、商、周设有地舆之官，由国家史官掌其职责。秦末义军焚烧咸陽时，汉丞相萧何将秦的图书都收藏起来了。今秘府所藏之书，既无古代地图，也无萧何所得的图书，只有汉代的《舆地》及《括地》等杂图，各图不设尺寸比例，又不确定方位标准，名山大川的名称也记载不完备，虽粗具其形，而都不一精一密，不能作为依据。有些是来自边僻的荒诞之言，不合事实，其内容不可取。
“大晋兴国，统一天下，澄清宇宙，征伐四方，始于上庸与蜀，深入其险阻之地，文帝命有司察绘吴蜀地图。蜀地地图完成后，六军所过，地域远近，山川险易，征路曲直，对照地图与图文，没有一点差错。今上考《禹贡》山海河流，高地平原沼泽，古之九州，及今之十六州，郡国县邑，疆界乡里，以及古国盟会地的旧地名，水陆交通道路，制地图十八篇。
“绘制地图的体例有六条。第一是比例，用以辨别面积的大小。第二是方位，用以确定各地之间的方向位置。第三是道里，用以确定道路的里数。第四是高下，第五是方斜，第六是曲直，这三条用于不同的地形，用来区别地势的险峻与平坦。有图像而无比例，则不能区别远近；有比例而无方位，虽知道一个地方的大小，却不知道其在整体上的位置；有方位而无道里，则如山海隔绝，不能指导交通；有道里而无高下、方斜、曲直的审定，则道路的里数必然与实际的远近不符，或会发生方位的失误，故绘制地图必用这六条互相结合使用。然而远近之实，决定于比例，彼此之实决定于方位，路径之实决定于道里，度数之实决定于高下、方斜、曲直的计算。故虽有高山大海之隔，绝域异国之远，登降曲回之势，皆可在地图上辨认出来。方位审定以后，曲直远近都不会掩蔽实有的地形地位了。”
裴秀创制朝廷礼仪，陈列刑法，朝廷多采纳应用，作为范例。在位四年，被称当世名公。有一次，裴秀服用寒食散，服后应当饮热酒却饮了冷酒，于是在泰始七年(271)病死，终年四十八岁。皇帝下诏说：“司空聪敏而有德，举止儒雅，佐皇室而辅国政，功勋宏大。方将赖其阐释施行各种法制，为世人作出典范，不幸去世，朕甚痛惜。现赐给棺木、朝服一具、衣一套、钱三十万、布百匹，谥号为元。”
当初，裴秀以为尚书属下三十六个部门，各部门所统之事条例不明，应使诸卿各任其职，计划未及上奏而死。裴秀的友人整理他的书稿笔记时，得到一份上给皇帝的草表，内容是平吴之事，表文说：“孙皓残酷而暴虐，不趁皇上治世之时兼并暗弱者，此事留给子孙，将不能使孙皓臣服；形势发展有吉有凶，不会是长久万安的。臣过去虽多次提及此事，但未形成定见。现在卧病不起，谨以死启君，愿陛下不久能付诸实施。”友人将此草表封好上呈皇帝，皇帝下诏回答说：“司空之死，使我痛悼不已，又看到草表，司空虽在危困时刻，不忘王室，尽忠忧国。看后更加伤怀，当立即与诸贤商议此事。”
咸宁初(275～280)，与石苞等并列为王公之位，配于太庙享祭。裴秀有二子：裴浚、裴危页。裴浚嗣位，官至散骑常侍，早死。裴浚庶出的儿子裴憬智力低下，另封高陽亭侯，以裴浚少弟裴危页嗣位。