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嘉平（249年—254年）年间，司马炎获封北平亭侯，历任给事中、奉车都尉、中垒将军，加散骑常侍，多次迁官至中护军、假节。甘露五年（260年）五月，魏帝曹髦被杀，司马炎奉父命在东武阳县（治今山东莘县莘城镇南段屯村一带146
）迎接常道乡公曹奂入继帝位90
。事后得以升任中抚军，进封新昌乡侯。4
司马炎虽据说有“发委地，手过膝（站着时头发拖到地上，手臂垂下时超过膝盖）”的“非人臣之相”，且在司马昭诸子中居于嫡长子的地位。但他的弟弟司马攸（过继给司马师）“性孝友，多材艺”，为人“清和平允”，更受司马昭的喜爱。司马昭曾表示，天下是兄长司马师打下来的，将来的王位自然应该归属司马攸。为了夺取世子名位，司马炎极力拉拢父亲身边的要臣，得到了山涛、贾充、何曾、裴秀等人的支持，并有羊琇等为自己出谋划策，终于在司马昭死前三个月，即咸熙元年（264年）的十月份正式被确立为晋王世子
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。在取得世子名位的同时，魏帝曹奂又在同年早些时候先后授予他抚军大将军、开府、“副贰相国”等职权，等同于“鲁公拜后之义（指像鲁公伯禽获得父亲周公辅佐君王的地位一般）”。
篡魏建国
咸熙二年（265年）五月，曹奂为司马昭加殊礼，进封其王妃为王后，世子为太子，由此司马炎也成为晋王太子
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。同年八月，司马昭去世，司马炎继承父亲的相国职位和晋王爵位，总揽全国军政大权7
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咸熙二年（265年）底，曹奂屈从臣下的压力，同意禅让帝位于晋王。这年十二月十七日（266年2月8日57
），司马炎在满朝文武的反复劝进之下，正式即皇帝位，更国号为晋，改元泰始（第二年为泰始二年）。次日，退位的曹奂被司马炎封为陈留王，从洛阳金墉城徙至邺城，曹魏亡国93
。这一年，司马炎不过三十岁。
锐意变革
司马炎称帝后，总结前代亡国的教训，认为曹魏政府束缚、防范宗室，导致皇帝孤立无援。为了屏卫皇室，司马