大中祥符元年（1008年），杜衍登进士第，补扬州观察推官，历知乾、扬、天雄、永兴、并等州军，以善于治狱闻名。宋仁宗特召其为御史中丞，兼判吏部流内铨。历任知审官院、知永兴军、枢密使等职。庆历四年（1044年），拜同平章事，支持“庆历新政”，为相百日而罢，出知兖州。庆历七年（1047年），以太子少师致仕，累加至太子太师，封祁国公。杜衍寓居南都十年后，于嘉祐二年（1057年）去世，年八十。获赠司徒兼侍中，谥号“正献”。