幼时聪警

赵元佐年幼时禀性聪明机警，相貌像宋太宗，宋太宗很钟爱他。十三岁时，跟从宋太宗在近郊打猎，有只兔子在宋太宗车马前奔跑，宋太宗让赵元佐射杀，赵元佐一发而中，辽朝使者在旁边，深感惊异。

太平兴国四年（979年），赵元佐跟从宋太宗征战太原、幽蓟。太平兴国七年（982年）七月，赵元佐出阁，住在内东门别宅，拜检校太傅、同中书门下平章事，封为卫王，并赴中书门下办公。翌年十月，迁居东宫，改赐名“元佐”，加任检校太尉，进封为楚王。

为叔求情

太平兴国七年（982年），赵元佐的四叔秦王赵廷美被指控与卢多逊等密谋造反，宋太宗将赵廷美废为涪陵县公，徙居房州。满朝之中，只有赵元佐出面向宋太宗为赵廷美伸冤。太宗不听，赵元佐遂得了“心疾”，即精神出了问题，并且“由是失爱”。

发疯被废

雍熙元年（984年），赵廷美来到房州（今湖北房县），因忧悸成疾而病逝，享年三十八岁。赵廷美死后，赵元佐因病发狂，以致因为小错就用尖刀杀伤侍者。雍熙二年（985年），病情略有好转，宋太宗很高兴，为此而大赦天下。

同年重阳节时，宋太宗召集几个儿子在宫苑中饮酒作乐，因元佐病刚好，便未召他预会。傍晚，他弟弟赵元佑（即赵元僖）等人在宴会结束后去看望他，赵元佐知道了太宗设宴的事，对赵元佑等人说：“汝等与至尊宴射，而我不预焉，是为君父所弃也。”于是发怒，到半夜，把侍女、姬妾等关在房内，纵火焚宫，到天亮，烟火仍未停息。太宗猜测火是赵元佐所放，便命令将赵元佐带到中书门下，派御史去调查情况。赵元佐看到放在面前的巨大的木枷，十分害怕，便说出了实情。太宗派入内都知王仁睿对赵元佐说：“汝为亲王，富贵极矣，何凶悖如是！国家典宪，我不敢私，父子之情，于此绝矣。”赵元佐无言以对。陈王赵元佑等太宗的儿子们和宰臣、近臣，都号泣营救，太宗流着眼泪说：“朕每读书，见前代帝王子孙不率教者，未尝不扼腕愤恨，岂知我家亦有此事!朕为宗社计，断不舍之。”遂下制废元佐为庶人，送均州安置。太宗对宰相说：“比者内外安宁，方思自适，而元佐纵火，实挠朕怀。”宰相宋琪等人说：“尧、舜有丹朱、商均，此不足以累圣德。元佐苟无心疾，当不至是，惟陛下开释。”宋琪又率百官三次上表，请求把赵元佐留在京师。太宗同意。赵元佐已上路南下，走到黄山，被召还，幽禁南宫，派使者监护，不通外事。赵元佐的幕僚楚王府谘议赵齐、王通、翊善戴玄以“辅导无状”的罪名请求处罚，太宗却说：“朕教训犹不从，岂汝等所能赞导耶！”释其无罪。

恢复官爵

至道三年（997年）三月，宋太宗去世，其子赵恒即位，是为宋真宗。宋真宗念及赵元佐是自己的同母兄长，起任赵元佐为左金吾卫上将军，并恢复赵元佐被宋太宗剥夺的楚王爵位。听任他养病不上朝，再加检校太师、右卫上将军。赵元佐过生日时，宋真宗赐他宝带。宋真宗封禅泰山后，实授赵元佐为太傅；祭祀汾阴，升为太尉兼中书令。又加任太师、尚书令兼中书令，拜任为天策上将军、兴元牧，赐带剑上殿和诏令上书不称名的待遇。当时宫中失火，赵元佐上表停止领俸禄以资助完善宫殿。宋真宗不同意，加任赵元佐兼任雍州牧。宋真宗立皇子赵祯为太子时，赵元佐兼任兴元牧。乾兴元年（1022年）二月，宋真宗去世，太子赵祯即位，是为宋仁宗。封赵元佐为江陵牧，增加赵元佐的食邑。

去世追封

天圣五年（1027年）五月二十四日，赵元佐去世，其子赵允升继承爵位，朝廷追赠赵元佐为河中牧、凤翔牧，追封齐王，谥号恭宪。宗室子弟特给假七天，以卤簿鼓吹送葬到永安，陪葬在永熙陵。明道二年（1033年），改封为潞王。后又改封为魏王。宋徽宗时改封汉王。