早期事跡

673年（咸亨四年），年僅十八歲的郭元振考中進士，被任命為通泉縣（今四川射洪）縣尉。在任內，郭元振常做些違法之事，甚至鑄造私錢、掠賣人口，百姓對他非常厭惡并深以為苦。

后來，武則天得知此事，將郭元振召入京城，準備將他治罪，卻在與他交談之后，發現他才華橫溢，便索要他的文章。郭元振便把自己所作的《寶劍篇》呈上，武則天大加贊賞，讓學士李嶠等人進行傳閱，并任命他為右武衛鎧曹參軍，后又進封奉宸監丞。

離間吐蕃

696年（萬歲通天元年），吐蕃請和，武則天命郭元振出使吐蕃。吐蕃大將論欽陵要求唐朝撤去安西四鎮的守軍，并求取十姓突厥之地。郭元振道：“安西四鎮、十姓突厥與吐蕃是不同民族，現在請撤朝廷守軍，難道不是有兼并的打算嗎？”論欽陵道：“吐蕃如果貪求土地，想成為唐朝的邊禍，則會東侵甘州（今甘肅張掖）、涼州（今甘肅武威），怎會謀利于萬里之外呢！”于是派遣使者隨郭元振入朝提出上述請求。

當時，朝廷對此猶豫不決。郭元振上奏道：“論欽陵要求罷兵割地，這是利害的關鍵，確實不應輕易作出決定。現在如果直接拒絕他，肯定會招致很深的邊患。四鎮的利益距離我們很遠，但是甘州涼州的受害離我們很近，不可不慎重考慮。應當用計策拖延時間，使他和好的希望未斷絕就好了。那四鎮、十姓，吐蕃是很想得到的，而青海、吐谷渾，也是我們想要的。我么不如答復：‘四鎮、十姓之地，本來對唐朝沒有什么用處，所以派兵戍守，是想安定撫慰西域，分散吐蕃的軍力，使吐蕃不能全力東侵。現在如果吐蕃無東侵的打算，就應當歸還我吐谷渾各部及青海故地，而西突厥五俟斤部也應當歸還吐蕃’。這樣便足以堵住論欽陵的嘴，而且也未與他斷絕關系。如果論欽陵稍有違背，則是他沒有道理。而且四鎮、十姓誠懇歸附已久，現在還未發現他們有反叛的情況，做有害于我們的事情，因為遙遠而拋棄他們，恐怕要使各國傷心，不是控制四夷的良策。”武則天聽后，同意了他的建議。

郭元振又道：“吐蕃百姓為徭役和兵役所苦，早就愿意與我們和好；只有論欽陵圖統兵專制的私利，不想歸附。如果我們每年都派去表示和好的使者，而論欽陵常不從命，則吐蕃百姓對論欽陵的怨恨就會日益加深，盼望得到國家的恩惠就會日甚一日，他要想大規模發動他的百姓，肯定就困難了。這也是逐漸離間的辦法，可以使他們上下猜疑，禍亂從內部產生。”武則天深表贊同。

后來，吐蕃君臣果然相互猜忌。699年（圣歷二年），吐蕃內亂，論欽陵被誅殺，其弟贊婆率部降唐。武則天聞訊后，命郭元振與河源軍大使夫蒙令卿率騎兵前往迎接。

治理涼州

700年（久視元年），吐蕃大將麹莽布支入寇涼州，被涼州都督唐休璟擊退。郭元振也因參與軍機，被封為主客郎中。

701年（長安元年），郭元振升任涼州都督、隴右諸軍州大使。當時，涼州南北不過四百多里，突厥、吐蕃常來侵擾，涼州軍民深以為苦。郭元振到任后，在南部邊境的硤口修筑和戎城（今甘肅古浪），在北部邊境的沙漠中設置白亭軍（今甘肅民勤東北），控制了涼州的交通要道，將涼州邊境拓展了一千五百里。從此，突厥、吐蕃的兵馬再也無法到州城侵擾。

郭元振又讓甘州刺史李漢通實行屯田政策，充分利用當地的河流土地從事農業生產。此前，涼州地區的谷子每斛高達數千錢，而屯田后，一匹細絹就可以換到數十斛糧，積存的軍糧可供數十年之用。

郭元振擅長安撫、統治百姓，在涼州任職的五年中，深受當地各族百姓敬仰，并且法令嚴正，軍紀嚴明，使得治下牛羊遍野，路不拾遺。

都護安西

706年（神龍二年），郭元振改任左驍衛將軍、檢校安西大都護。后來，突騎施首領烏質勒部落強盛，表示愿意與唐朝通和，郭元振便到突騎施牙帳商議軍事事宜。當時，天降大雪，郭元振立于帳外，與烏質勒會談。大雪愈積愈厚，郭元振足不移地，而烏質勒因年老體弱，不耐嚴寒，會談結束后竟被凍死。烏質勒的兒子娑葛認為是郭元振設計害死父親，打算率兵襲擊唐軍。副使御史中丞解琬聞訊，勸郭元振連夜逃走。郭元振道：“我以誠心對待他們，又有什么可以懷疑和害怕的呢！再說我們都在他們的勢力范圍之內，就算是想逃走，又能逃到哪里去呢？”

次日，郭元振身穿素服前往吊唁，半路上遇到娑葛的士兵。敵軍沒料到郭元振會來，也不敢輕舉妄動，忙說是來迎接他的。郭元振走進帳中，吊唁贈禮，哭得非常悲傷，并留下幫助料理喪事。娑葛被郭元振的誠意打動，向唐朝派去使者，進獻良馬五千、駱駝二百、牛羊十余萬。不久，朝廷任命郭元振為金山道行軍大總管。

708年（景龍二年），娑葛與阿史那闕啜忠節不和，多次發生沖突。闕啜忠節由于兵少將微，逐漸不敵。郭元振遂奏請將闕啜忠節召入京師宿衛，將其部落遷徙到瓜州（今甘肅安西東南鎖陽城）、沙州（今甘肅敦煌西）一帶。闕啜忠節率部東撤，在播仙城（今新疆且末西南）與唐朝西域經略使、右威衛將軍周以悌相遇。周以悌勸他不要入朝，賄賂宰相宗楚客、紀處訥，聯合安西軍與吐蕃軍共擊娑葛，并求冊阿史那獻為可汗以招撫突厥十姓人馬，這樣既能報娑葛相欺之仇，又可以保住對部落的控制，勝于入朝受制于人。闕啜忠節深以為然，便率軍攻陷闐坎城，并遣使厚賄宗楚客、紀處訥。

郭元振聽到這個消息后，當即上疏，極力勸阻，并認真分析了當前的形勢，指出如果將吐蕃引入西域，會引發安西四鎮的危機，同時認為闕啜忠節所求立的阿史那獻同阿史那元慶、阿史那斛瑟羅一樣，都無過人之才。但是，朝廷沒有接受他的建議。

不久，朝廷派御史中丞馮嘉賓持節安撫闕啜忠節，侍御史呂守素處理四鎮事務，任命牛師獎為安西副都護，統領甘州、涼州兵馬，聯合吐蕃一起進擊娑葛。娑葛的使者娑臘此時正在長安，聞訊后立即趕回，通報娑葛。娑葛大怒，發動四路兵馬，分別攻打安西、撥換（今新疆阿克蘇）、焉耆、疏勒。

由于娑葛兵勢甚盛，郭元振屯兵疏勒，設柵于疏勒赤河（今克孜勒河）河口，不敢出擊。娑葛趁闕啜忠節迎接馮嘉賓時，派兵偷襲，生擒闕啜忠節，殺死馮嘉賓。不久，呂守素、牛師獎先后遇害。娑葛乘勝攻陷安西，斷絕四鎮之路。

宗楚客又奏請以周以悌為安西大都護，征召郭元振入朝，并冊封阿史那獻為西突厥十姓可汗，派軍進駐焉耆，討伐娑葛。娑葛寫信給郭元振道：“我與漢人本來沒有矛盾，只是與闕啜忠節有仇。但是宗尚書接受闕啜忠節的賄賂，毫無道理地想發兵攻破我的部落，并且馮中丞和牛都護相繼率軍而來，我又豈能坐以待斃！我聽說阿史那獻也將來到此地，他的到來只會使安西四鎮沖突增多，恐怕今后難以有安寧的日子好過。請您看著怎么解決吧。”

郭元振便將娑葛的信呈給唐中宗。宗楚客大怒，奏稱郭元振有不臣之心，征他入朝，準備治罪。郭元振派兒子郭鴻走小路將實際情況向唐中宗一一奏明，請求留在西域穩定局勢，不敢返回朝中。不久，周以悌被流放白州（今廣西博白），唐中宗再次任命郭元振為安西大都護，下詔赦免娑葛的罪行，并冊立為十四姓可汗。

擔任宰相

710年（景云元年），宗楚客等人在政變中被殺，唐睿宗繼位，郭元振被征拜為太仆卿，加銀青光祿大夫。郭元振離任時，安西各部落的酋長有的甚至劃破臉面、痛哭相送。剛剛行到玉門關，離涼州還有八百里時，涼州百姓就已經準備好壺漿歡迎。

711年（景云二年），郭元振被任命為同中書門下三品，接替宋璟出任吏部尚書。不久，郭元振又改任兵部尚書，封館陶縣男。同年冬，郭元振與韋安石、張說被罷去相位。

712年（先天元年），唐睿宗退位，唐玄宗繼位，郭元振出任朔方軍大總管，修筑豐安（今寧夏中衛西）、定遠城（今寧夏平羅南），使戍守軍隊得以有屯駐之所。713年（開元元年），郭元振以兵部尚書之職再次擔任同中書門下三品。

同年七月，唐玄宗誅殺太平公主，郭元振親自率兵保護唐睿宗，在中書省宿衛十四夜，因功進封代國公。不久，郭元振兼任御史大夫，出為朔方大總管，防備突厥。

去世

十月，唐玄宗在驪山舉行軍演，并親自擂鼓。郭元振突然出班奏事，打亂了軍演。唐玄宗見軍容不整，非常生氣，命人將郭元振立即斬首。劉幽求、張說勸諫道：“郭元振立過大功，即便犯了重罪，也應當予以寬恕。”唐玄宗便赦免了郭元振的死罪，將他流放到新州（今廣東新興）。

不久，唐玄宗念及郭元振昔日功勞，起復他為饒州（今江西鄱陽）司馬。郭元振遭此挫折，心情抑郁，在赴任途中病逝，終年五十八歲。

722年（開元十年），郭元振被追贈為太子少保。