忠烈王的父亲是高丽元宗。1260年(忽必烈中统元年)春，高丽高宗逝世，当时元宗还是高丽的王世子，身处元朝作人质。王谌以王世孙的身份权摄朝政，派人请求忽必烈送王世子回国。高丽元宗归国即位后，王谌被立为王世子。
1274年，高丽元宗去世，忠烈王继位。忠烈王向忽必烈提议娶蒙古公主为妻，并迎娶了忽必烈的长女齐国大长公主忽都鲁揭里迷失(即庄穆王后)，成了元朝的驸马。此后，高丽君主都成为元朝的驸马，成为惯例。高丽王位的继承者，必须送到元大都在元朝以蒙古人的方式长大成人后，方可回到高丽。
由于高丽是元朝的附庸国的缘故高丽，元朝公主在高丽的地位比高丽国王还要高。她们可单独见大臣对事情有最后决定权。
忠烈王即位的同一年，元朝皇帝忽必烈派忻都、洪茶丘、刘复亨征讨日本，史称文永之役。忠烈王也派遣金方庆率兵三万，协助元朝的军事进攻。元朝、高丽联军曾一度势如破竹，但最终遭到台风的袭击而全军覆没。
高丽蒙古战争后，元朝同意高丽保留其传统文化"从其国俗"。忠烈王成为元朝驸马后，为了讨好元朝高丽，每年都重金向元朝朝贡，并献上贡女、宦官等。在1278年下达了胡服辫发之令，鼓励高丽人采纳蒙古人的生活方式著蒙古装，留发辫，吃蒙古食物。此后高丽的王世子都在元朝的宫廷里按照蒙古贵族的习俗抚养，并且同时拥有蒙古名字。此后，忠烈王又多次携王后前往元大都朝见，被忽必烈赐予"驸马高丽王"的金印。
1279年，忽必烈计划再次入侵日本，派人在江南造船，并遣使到高丽的庆州道检察兵器。在经历了一系列准备之后，元朝、高丽联军于1281年再次入侵日本，史称弘安之役。忠烈王亲自来到合浦督战。不过最终联军又遭台风而惨败。忽必烈最终放弃了攻打日本的计划，并在1282年废除了征东行省。
1289年，元朝叛乱贵族乃颜的余党哈丹攻入高丽，忠烈王逃往江华岛避难，1291年回到开城。1298年，庄穆王后忽都鲁揭里迷失去世。由于有人怀疑庄穆王后是被谋杀，引发高丽宫廷争斗。忠烈王被迫让位给世子王璋(即高丽忠宣王)，自己则被尊为太上王，并接受了元朝逸寿王的封号。但由于忠宣王的夫人宝塔实怜公主和高丽王妃集团之间的争斗激烈，忠宣王很快便退位，让忠烈王复位。
1290年，应忠烈王的要求，元朝将东宁府归还高丽。 这个地区在1270年被元朝占领。
1308年逝世，元朝赐谥忠烈王;1352年高丽朝廷谥其为景孝大王(朝鲜语:경효대왕)。而忠烈王是高丽王朝第一个被单称"王"的君主。在他之前的高丽君主，死后都以庙号称呼("某祖"、"某宗")。高丽成为元朝的藩属之后，元朝统治者认为这种做法对其统治构成威胁，将其终止。