早年经历
赵伦之，字幼成，下邳郡僮县人。赵伦之是刘裕生母孝穆皇后赵安宗的弟弟。赵伦之幼年时父亲早死，家庭贫困，赵伦之对母亲非常孝顺，并以此显名。
建功升官
元兴三年（404年），刘裕在京口举兵讨伐桓玄时，赵伦之也跟随刘裕平定京口和京师建康。桓玄之乱平定后，赵伦之因为战功被封为阆中县五等侯。
义熙十一年（415年），赵伦之随同刘裕征讨荆州刺史司马休之及雍州刺史鲁宗之。赵伦之在随刘裕攻克江陵后，又受命与沈林子分领军队两路出击，进攻石城，在石城击败鲁宗之子鲁轨，鲁轨、鲁宗之、司马休之等人逃奔后秦。战后赵伦之因功升任使持节、督雍梁南北秦四州荆州之河北诸军事、雍州刺史、征虏将军，镇守襄阳。
义熙十二年（416年）正月，后秦皇帝姚泓又再派鲁轨率军侵犯襄阳，赵伦之率军抵御，击溃鲁轨军。同年八月，刘裕北伐后秦，赵伦之统军坐镇襄阳，指挥荆雍方向的北伐事宜。赵伦之派遣顺阳太守傅弘之、扶风太守沈田子领军经武关入关中，攻占峣柳，并在蓝田大破姚泓的后秦军。战后，赵伦之进号"后将军"。
佐命元勋
永初元年（420年），刘裕代晋称帝，赵伦之以佐命功，晋封为霄城县侯，食邑千户。不久，刘裕又给赵伦之进号安北将军。当时赵伦之仍然在任雍州刺史，镇守重镇襄阳。赵伦之进号安北将军后，以襄阳各地的杂姓太多为由，命长史范觊之整理雍州氏族，按等级辨别出门第高低。
后期荣显
永初三年（422年）五月，护军将军檀道济以镇北将军、南兖州刺史的身份出镇南兖州，护军将军一职空缺。宋少帝刘义符即位后，朝廷便征拜赵伦之入京接替檀道济，担任护军将军。景平元年（423年），赵伦之因故卸任护军将军，朝廷调刘怀慎担任护军将军，接替赵伦之，但刘怀慎不久便离世。次年，徐羡之、傅亮、谢晦等人进行废立前夕，护军将军之职亦被傅亮加领。
元嘉三年（426年）正月，赵伦之被宋文帝刘义隆调任为镇军将军。同年五月，因中领军到彦之在平定谢晦后出任南豫州刺史，领军一职空缺，文帝遂选定赵伦之担任领军重职，接替到彦之。同年六月，文帝正式任命赵伦之为左光禄大夫、领军将军。
因病逝世
元嘉五年（428年）十二月，赵伦之在家中病逝，文帝给他追赠侍中，谥为"元侯"。他的儿子赵伯符继承他的封爵。
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