杜正倫出身洹水杜氏，與京兆杜氏同出一祖，但支系較遠。他曾請求與京兆杜氏連宗，卻被拒絕，便懷恨在心。京兆杜氏聚居處名為杜固，相傳有旺盛發達的地氣，因此世代高門。杜正倫拜相后，以疏通水道為名建議朝廷開鑿杜固，想借此破壞杜固的風水。杜固被鑿后，川流如血，十日方止，從此南杜（北杜居于杜曲）一蹶不振。

　　貞觀年間，杜正倫被唐太宗選為東宮輔臣，教導太子李承乾。他出入于皇帝所在的太極宮與太子所在的東宮，參與機密，以干練著稱。擔任宰相后，杜正倫又上疏高宗，建議精簡入流品官。

早年經歷

　　杜正倫在隋朝仁壽年間與兄長杜正玄、杜正藏一同考中秀才。他善寫文章，精通佛典，后被授為羽騎尉。隋代僅有秀才十余人，而杜家卻一門三秀才，因此受到時人稱道。唐朝武德年間，杜正倫擔任齊州總管府錄事參軍，后被秦王李世民（即后來的唐太宗）招納，進入秦王府文學館。

累職升遷

　　貞觀元年（627年），尚書右丞魏徵上表舉薦杜正倫，稱其才能古今無比。唐太宗遂擢升杜正倫為兵部員外郎，并對他道：“我讓大臣推薦行能出眾之人，并不是我偏愛這種人，而是因為他們對百姓有益處。而對于宗室勛臣中品行才干不佳的人，我絕對不會任用他們。我現在任用你，是因你忠誠正直，希望你能稱職。”

　　貞觀二年（628年），杜正倫又改任給事中，負責記載《起居注》。唐太宗曾道：“我坐朝理政，每講一句話，都要先思考這句話是否有益于百姓，所以我不敢多說話。”杜正倫答道：“君主言行都要記錄在史書中，我的職責便是撰寫起居注，所以不敢不盡忠職守。陛下如有片言只語違背道理，不僅會對當今百姓造成損害，即使千年之后都會有損圣德。希望陛下慎重。”太宗大悅，賜其絹帛二百段。

　　貞觀四年（630年），杜正倫進拜中書侍郎。貞觀六年（632年），杜正倫與御史大夫韋挺、秘書少監虞世南、著作郎姚思廉一同上疏奏事。唐太宗設宴款待，并道：“我發現歷代人臣如遇開明之主，就能竭盡忠誠規勸諫諍，至于像龍逢、比干這樣的忠貞之臣，竟然免不了被加刑殺戮。為君不易，為臣更難。龍有逆鱗，君主也有逆鱗，你們卻敢于去碰觸。如果能經常這樣，我哪還有什么危亡的憂慮！”又對他們大加賞賜。

　　不久，杜正倫改任太子左庶子，兼崇賢館學士，并加散騎常侍。唐太宗囑咐道：“太子自古便是國家根本，一定要選有道德的人來輔佐。現在太子年紀幼小，志向思想還沒確定，我如能早晚都見到他，還能隨時隨事對他告誡約束。我如今讓他監國，又不能把他留在身邊。你志向遠大，胸懷寬廣，能堅持正道，所以我只能讓你離開我去輔助太子，你應該知道這個委任的分量。”

連遭貶謫

　　貞觀十年（636年），杜正倫再次出任中書侍郎，仍兼太子左庶子，并賜爵南陽縣侯。唐太宗曾囑咐杜正倫：“我兒患有足疾，只是小事，但卻好狎昵小人，以致沒有好的名聲，你要時時規勸。如果他不聽教導，你就來告訴我。”后來，杜正倫數次勸諫太子李承乾，都未被接受，便將太宗的話告知于他。李承乾上表抗辯。唐太宗質問道：“你為何把我的話告訴太子？”杜正倫答道：“我勸導他，他不接受，所以就用陛下的話來嚇唬他，希望他有所畏懼，或許可以改惡從善。”唐太宗大怒，將杜正倫外放為谷州刺史，又貶交州都督。

　　貞觀十七年（643年），李承乾意圖謀反，被廢為庶人。經查證，李承乾曾命侯君集贈送金帶給杜正倫。唐太宗于是將杜正倫流放驩州（在今越南境內）。后來，杜正倫又歷任郢州刺史、石州刺史。

擔任宰相

　　顯慶元年（656年），杜正倫被授為黃門侍郎，兼崇賢館學士，后升任同中書門下三品，成為宰相。

　　顯慶二年（657年），杜正倫兼任度支尚書，又升任中書令，兼太子賓客、弘文館學士，進封襄陽縣公。他與劉祥道曾上疏唐高宗，認為入流品官過多，乃是為政弊端。高宗便讓杜正倫與劉祥道一同負責精簡品官，但因阻力過大，最終無果而終。

貶死橫州

　　顯慶三年（658年），中書令李義府因與杜正倫不睦，誣告杜正倫與中書侍郎李友益結黨營私。唐高宗遂將杜正倫貶為橫州刺史，并削去他的封邑。不久，杜正倫病死于貶所。