八歲時被宋真宗召入宮中，皇帝讓皇子趙受益拜他，趙允弼不敢當。登樓觀酺宴，可與皇子並坐。皇子趙受益即位，是為宋仁宗。慶曆四年（1044年）七月，以安化留後趙允弼為北海郡王，皇祐二年（1050年）十月，武康節度使、北海郡王趙允弼為寧國節度使、同平章事。至和二年（1055年）六月丙申，以知大宗正事趙允讓為判大宗正事，同知大宗正寺趙允弼為同判大宗正寺。嘉祐五年（1060年）十二月庚午，寧國節度使、同平章事、同判大宗正事、北海郡王趙允弼為武寧節度使兼侍中；判大宗正事、奉寧節度使、同平章事、華原郡王趙允良為彰信節度使兼侍中。

宋英宗時，拜中書令，改封東平郡王。宋神宗即位，拜太保、鳳翔雄武軍節度使，朔望朝見。熙寧二年（1069年），為母丁憂，悲痛至極，堅決推辭起複。母葬一段時間後，趙允弼病重，看著諸子以不得完成大事為恨。七月甲戌，太保、鳳翔雄武軍節度使東平郡王趙允弼薨，宋神宗臨喪慟哭，輟朝三日，贈太師、尚書令兼中書令，追封相王，謚號孝定。其子趙宗述、趙宗藝、趙宗繢、趙宗景。

趙允弼性情端重，適時然後講話。各宮增學官員，趙允弼已經顯貴，仍然每天到講席，請伴讀官讀《孟子》一節。領宗正三十年，與濮安懿王趙允讓共事，互相友愛，被宗屬推重。