正始十年(249年)二月五日，曹芳与曹爽三兄弟往高平陵拜祭魏明帝。司马懿奉郭太后之令在洛阳发动高平陵政变，入永宁宫向素来与曹爽不睦的郭太后上奏，称曹爽兄弟败乱国典、擅权营私，遂奉太后上奏天子请求意旨罢废曹爽，与蒋济等占据洛水浮桥，关闭洛阳城门。
接着任命司徒高柔假节代理大将军事，接管曹爽的职权;王观行中领军事，接管曹羲的禁军。曹爽接到弹劾表后，一时惊慌失措，不敢告知曹芳。
于是将天子车驾留在伊水之南，砍伐树木建成鹿角，征发屯兵数千人以自守。与此同时大司农桓范与大将军司马鲁芝逃出洛阳，跑到高平陵会合曹爽。
桓范力劝曹爽带皇帝到许昌，以皇帝之名号召全国兵马反击司马懿。见曹爽没有主见，于是又劝曹羲可以利用阙南别营和典农校尉的军队暂作抵抗，然后占据许都，且表示自己可以用大司农的印章为他们的军队调运粮草。
但曹爽兄弟始终犹豫未决。
司马懿怕曹爽拼死一搏，于是先后派侍中许允、尚书陈泰以及曹爽所亲信的殿中校尉尹大目等人诱劝曹爽放弃权力，并以洛水为誓允诺其只交出兵权，便可保留爵位。
蒋济也写信给曹爽，称司马懿只想剥夺他们兄弟的兵权，不会伤害他们，可以保他们富贵。
曹爽想了一夜，认定司马懿不过是欲令他与他的兄弟们放弃兵权，于是决定放弃抵抗，而请皇帝罢免自己，并向司马懿认罪投降。
当曹爽解下印绶时，主簿杨综劝道：“您挟持天子手握大权，难道要放弃这些权位而跑到东市去被砍头吗？”
但曹爽不听从，桓范也大哭道：“曹子丹大英雄，却生下你们这群如猪如牛的兄弟！没想到今日受你们的连累要灭族了！”
曹爽兄弟被免职后，以侯爵的身份回到府第，司马懿在曹爽府第四角起高楼，命人日夜监视。
曹爽兄弟内心不安心，欲要试探司马懿的心意，于是声称食物不足，向司马懿要求食物。
之后司马懿送来食物，曹爽兄弟十分高兴，自以为司马懿不会赶尽杀绝。
但不久后，与曹爽兄弟交情甚密的黄门张当在司马懿的严刑拷问之下，只得供称曹爽和何晏等人意图谋反，于是曹爽兄弟与其亲信党羽都被捕，二月九日一起被屠灭三族。
在这一过程中，十七岁的曹芳犹如一位看客，坐观司马懿与曹爽争斗，几乎没有采取一丝夺权措施。
高平陵之变后，司马氏掌握了曹魏大权，曹芳之前是曹爽的傀儡，现在变成了是司马氏的傀儡。
两年后，司马懿去世，他也想要效仿周文王，于是没有夺取曹魏的政权而是让其子司马师把持朝政。
嘉平六年(254年)二月，中书令李丰和张皇后的父亲光禄大夫张缉等人图谋废掉司马师，改立夏侯玄为大将军，事情败露，被司马师灭族。