建长元年（1249年）五月二十七日诞生。

正嘉二年（1258年）八月，成为哥哥后深草天皇的东宫。

正元元年（1259年）八月二十八日，加元服。十一月二十六日，在父母带领下践祚。十二月二十八日即位。他性情豁达英明，深受父母宠爱。

文永九年（1272年）二月，后嵯峨天皇崩御，龟山天皇之母大宫院向幕府作证说后嵯峨的本意就在龟山，因此龟山天皇成为治天之君，得以亲政。而此事亦成为大觉寺统和持明院统两统对立的开端。

亲政后的龟山天皇采取了一系列德政，如制定制符、改革杂诉沙汰等。文永十一年（1274年）正月二十六日，让位于东宫（后宇多天皇）。让位后，他以上皇的身份处理政务，实行了评定众以下的结番制、设置了评定机关分化和定日、制定《弘安礼节》，获得“德政兴行”“严密之沙汰”等好评。他在佛教上皈依禅宗，尊信东福寺圆尔和普门，曾普门为御愿寺南禅寺的开山，禅宗由此为公家社会所重视；又喜好儒学，于弘安十年（1287年）四月以院的评定所为圣堂，讲授儒家经典。他对和歌和汉诗文都很热衷，因此这一时期被称为“文学绍隆”的时期。元日战争期间，他还在伊势神宫祈愿，请求以身殉国。