Antes de ser elevado al trono ostentó el título de Príncipe de Asturias, siendo el primero en ostentar dicho título. Asumió el poder efectivo el 2 de agosto de 1393, a la edad de 13 años, luego de un tumultuoso período de cambios en la regencia. Pudo pacificar a la nobleza y restaurar el poder real, apoyándose en los nobles de segunda fila y desplazando así a sus parientes más poderosos (como Alfonso Enríquez y Leonor de Navarra). Deroga privilegios antes concedidos a las Cortes, como la alcabala y el derecho a asistir al Consejo Real, impulsa la figura de los corregidores en las ciudades, y sanea la economía del Reino. Disminuye las persecuciones contra los judíos, promulgando varios edictos contra la violencia, que había sido particularmente grave en 1391.

Durante su reinado, la flota castellana obtuvo varias victorias contra los ingleses; en 1400 envió una flota de guerra que destruyó la base pirata de Tetuán, en el África del Norte. En 1402 comenzó la colonización de las Islas Canarias, enviando al explorador francés Jean de Béthencourt. Detuvo una invasión portuguesa, iniciada en 1396 con un ataque a Badajoz, consolidando finalmente la paz con el acuerdo firmado con Juan I de Portugal el 15 de agosto de 1402. Apoyó las pretensiones pontificias de Benedicto XIII y reanudó la campaña contra Granada, alcanzando una importante victoria en Collejares, cerca de Úbeda (1406), aunque no pudo completarla porque le sobrevino la muerte. También envió a dos embajadas ante Tamerlán, la primera encabezada por Hernán Sánchez de Palazuelos y la segunda por Ruy González de Clavijo. De esta segunda tenemos la relación del viaje en un libro, la Embajada a Tamorlán.

En 1388, y en virtud del Tratado de Bayona, se casó con Catalina de Lancaster, hija de Juan de Gante, duque de Lancaster, y de Constanza de Castilla, por lo tanto descendiente de Pedro I el Cruel. Esto permitió culminar el conflicto dinástico, afianzar la Casa de Trastamara, y establecer la paz entre Inglaterra y Castilla. De esta unión nacieron dos hijos:

- María (1401 - 1458), esposa de Alfonso V de Aragón;
- Juan (1405 - 1454), que lo sucedió en el trono a su temprana muerte con el nombre de Juan II.

Con su salud afectada, en sus últimos años había delegado parte del poder efectivo en su hermano Fernando de Antequera, quien sería regente durante la minoría de edad de Juan II.

Falleció en Toledo cuando preparaba una campaña contra el reino de Granada. Fue enterrado en la Capilla de Reyes Nuevos de la catedral toledana.