杜畿，字伯侯，是京兆杜陵人。据《傅子》记载，杜畿是汉代御史大夫杜延年的后代。杜延年的父亲杜周从南阳迁到茂陵，杜延年又迁到杜陵，子孙世代居住在那里。
杜畿小时候父亲去世，继母对他很不好，但他以孝顺闻名。20岁时，他担任郡里的功曹，代理郑县县令。当时县里关押了几百名囚犯，杜畿亲自到监狱，根据罪行的轻重进行裁决，全部处理完毕。虽然有些裁决可能不够准确，但郡里人都惊叹他年纪轻轻就有如此大的气魄。后来他被举荐为孝廉，任命为汉中府丞。正逢天下大乱，杜畿就辞去官职，到荆州避难。建安年间，他才回到中原。荀彧向曹操推荐了他。《傅子》记载：杜畿从荆州回来后，后来到许昌，见到了侍中耿纪，两人聊了一整夜。尚书令荀彧和耿纪是邻居，夜里听到杜畿的谈话，觉得他很不一般，第二天派人对耿纪说：“有这样的人才却不推荐，还怎么当官呢？”荀彧见到杜畿后，就像和老朋友一样熟悉，于是把他推荐给朝廷。曹操任命杜畿为司空司直，后来升任护羌校尉，让他持节，兼任西平太守。
曹操平定河北后，高干在并州造反。当时河东太守王邑被召回，河东人卫固、范先表面上以请求王邑留任为名，实际上却和高干暗中勾结。曹操对荀彧说：“关西的将领们依仗地势险要和骑兵的优势，一旦征召他们，肯定会作乱。张晟在殽山、渑池一带抢劫，和刘表勾结，卫固等人也会趁机作乱，我担心他们会带来更大的灾难。河东地区背靠群山，黄河环绕，四周多变，是当今天下的战略要地。你帮我推荐一个像萧何、寇恂那样的人来镇守那里。”荀彧说：“杜畿就是合适的人选。”《傅子》记载：荀彧称赞杜畿勇敢足以应对大难，智慧足以随机应变，可以试试他。于是曹操任命杜畿为河东太守。
卫固等人派了几千士兵切断陕县渡口，杜畿到了那里过不了河。曹操派夏侯惇去讨伐，但还没到。有人对杜畿说：“应该等大军到来。”杜畿说：“河东有三万户人家，不是都想要造反。现在如果大军压境，那些想从善的人没有主心骨，一定会害怕而听从卫固的。卫固等人势力强大，肯定要拼死抵抗。如果讨伐他们不能取胜，四周的势力响应他们，天下就会陷入混乱；如果讨伐他们能取胜，也会残害一郡的百姓。而且卫固等人还没有公然背叛朝廷，表面上以请求旧长官为名，肯定不会加害新长官。我独自乘车前往，出其不意。卫固为人多疑而没有果断，肯定会被我蒙蔽。我只要在郡里待一个月，用计策控制他，就足够了。”于是他从郖津渡河，走了一条小路。《魏略》记载：当初，杜畿和卫固从小关系很好，但卫固曾经轻视杜畿。杜畿曾经和卫固下棋争执，杜畿还对卫固说：“我以后要当河东太守。”卫固提起衣服骂他。等到杜畿上任时，卫固却成了郡里的功曹。张时过去担任京兆尹。杜畿迎接司隶，和张时在华阴见面，按照礼仪，两人都应该手持朝板。张时感叹说：“昨天还是功曹，今天就成郡守了！”
范先想杀杜畿来威慑众人。《傅子》记载：范先说：“既然要做老虎，又怕吃人肉，那就不是老虎了。现在不杀他，一定会成为后患。”他还观察杜畿的去留，在大门下杀了主簿以下三十多人，杜畿却举止镇定。于是卫固说：“杀了他也没有好处，反而落下坏名声；而且我们还能控制他。”于是就奉迎杜畿。杜畿对卫固、范先说：“卫、范是河东的有声望的人，我只是仰仗你们罢了。但是君臣之间有明确的定义，成败都应该共同承担，大事应该共同商议。”他任命卫固为都督，代理丞事，兼任功曹；卫固手下的将校和士兵三千多人，都由范先监督。卫固等人很高兴，虽然表面上侍奉杜畿，但并不把他放在心上。卫固想大规模征兵，杜畿担心这件事，劝说卫固：“要做不同寻常的事，不能让众人惊慌。现在大规模征兵，众人一定会惊扰，不如慢慢用钱招募士兵。”卫固认为有道理，就听从了他，于是开始筹集资金征兵，几十天才完成，各将领贪图多招募而少派兵。
杜畿又劝说卫固等人：“人都顾念家庭，各位将领和官吏，可以让他们分批休息，急用的时候再召集他们也不难。”卫固等人不想违背众人的心愿，也听从了他。于是善良的人在外面，暗中成为杜畿的援军；坏人分散开来，各自回到自己的家，于是众人就离心离德了。正赶上白骑攻打东垣，高干进入濩泽，上党的几个县杀了长官，弘农的郡守被部下抓住，卫固等人暗中调兵，但还没到。杜畿知道各县都归附自己，于是独自带领几十名骑兵，赶到张辟坚守，官吏和百姓大多举城帮助杜畿，几十天后，得到四千多人。卫固等人和高干、张晟一起攻打杜畿，但攻不下来，抢劫各县，也没有收获。正赶上曹操的大军到来，高干、张晟失败，卫固等人被处死，其余的党羽都被赦免，让他们恢复原来的产业。
当时天下各地的郡县大多残破不堪，但河东郡却最早安定下来，损失也最小。杜畿治理河东时，推崇宽厚仁惠的政策，尽量减少对百姓的干扰。百姓之间如果有纠纷诉讼，杜畿会亲自接见，给他们讲明道理，让他们回去仔细想想。如果还有想不通的地方，可以再来找他。乡里的父老们互相责备说：“有这样好的长官，我们怎么能不听从他的教诲呢？”从此，河东郡的纠纷诉讼越来越少。
杜畿还向下属各县发布政令，推举孝子、贞节的妇女和孝顺的孙子，免除他们的徭役，并且经常去慰问鼓励他们。他还逐步引导百姓饲养母牛、草马，甚至鸡、猪、狗等家畜，都有明确的章程。百姓们努力耕种，家家户户都富足起来。杜畿说：“百姓富裕了，就不能不教化他们。”于是冬天的时候，他组织百姓进行军事训练，还开办学校，亲自讲解经典，传授知识，整个河东郡的风气都得到了改变。《魏略》记载：博士乐详就是通过杜畿的推荐而得到提升的。直到今天，河东地区还有很多儒生，这都是杜畿的功劳。
韩遂、马超叛乱的时候，弘农、冯翊等地的很多县都响应叛军。但河东郡虽然和叛军接壤，百姓却没有二心。曹操西征到蒲阪，和叛军隔着渭河对峙，军粮全靠河东供应。等到叛军被打败后，河东郡还剩下二十多万斛粮食。曹操下令说：“河东太守杜畿，就像孔子所说的‘大禹，我没有可以指责的了’。提升他的俸禄为中二千石。”曹操征讨汉中时，派五千人运输物资，运输的人互相勉励说：“人生总有一死，不能辜负我们的长官。”结果没有一个人逃跑，杜畿就是这样深得人心的。《杜氏新书》记载：平虏将军刘勋，是曹操非常亲近的人，地位显赫。他曾经向杜畿索要大枣，杜畿以别的理由拒绝了。后来刘勋被处死，曹操看到了刘勋写给杜畿的信，感叹道：“杜畿真是‘不向权贵献媚’的人啊。”曹操称赞杜畿的功绩和美德，通告各州郡，说：“过去孔子对颜回，每次都忍不住称赞，既是因为情真意切，也是为了让大家以他为榜样。现在我也希望大家都仰慕高尚的品德，效仿美好的行为。”
魏国建立后，任命杜畿为尚书。事情平定后，曹操又下令说：“过去萧何平定关中，寇恂平定河内，你也有这样的功劳。我本来打算让你担任纳言的职务，但考虑到河东是我重要的郡，是充实国库的地方，足以控制天下，所以暂时麻烦你镇守那里。”杜畿在河东任职十六年，政绩一直名列前茅。
曹丕即位后，赐给杜畿关内侯的爵位，征召他担任尚书。等到曹丕称帝后，又晋升他为丰乐亭侯，封地有一百户。《魏略》记载：当初杜畿在郡里时，接到朝廷的命令要登记寡妇。当时其他郡有的已经自行安排了婚配，但按照命令都要重新登记并拆散，导致很多寡妇在道路上啼哭。杜畿只登记了那些丈夫去世的寡妇，所以送上去的名单比较少。等到赵俨接替杜畿后，送上去的名单就多了。曹丕问杜畿：“以前你送上去的名单为什么那么少，现在为什么又多了呢？”杜畿回答说：“我以前登记的都是亡者的妻子，现在赵俨送上去的是活人的妻子。”曹丕和左右的人都变了脸色。后来曹丕任命杜畿为司隶校尉。曹丕征讨吴国时，任命杜畿为尚书仆射，负责留守事务。后来曹丕到许昌，杜畿又负责留守。他奉命建造御用的楼船，在陶河试船时，遇到大风，船沉了，杜畿也淹死了。曹丕为此流下了眼泪。
《魏氏春秋》记载：当初，杜畿曾经看到一个童子对他说：“司命让我来请你。”杜畿坚决请求他放过自己，童子说：“现在我将为你找一个替代你的人，你千万不要说出去！”说完，童子就不见了。从那以后二十年了，杜畿才说起这件事，当天他就去世了，享年六十二岁。曹丕下诏说：“过去冥勤恳地履行他的职责，却死于水灾；稷辛勤地种植百谷，却死于山难。已故的尚书仆射杜畿，在孟津试船时，船翻了，他淹死了，这是忠诚到了极点的表现。我非常痛惜。”追赠他为太仆，谥号为戴侯。他的儿子杜恕继承了他的爵位。
《傅子》记载：杜畿和太仆李恢、东安太守郭智关系很好。李恢的儿子李丰结交了很多有才能的人，在天下以才智闻名。郭智的儿子郭冲有真才实学，但外表上看不出来，乡里人都不称赞他。杜畿担任尚书仆射时，李丰和郭冲都按照子孙的礼节来拜见他。他们走后，杜畿感叹道：“李恢没有好儿子；不但没有好儿子，恐怕他的家业也难以延续。郭智虽然去世了，但他的儿子一定能继承他的事业。”当时人们都认为杜畿说错了。李恢死后，李丰担任中书令，最后父子兄弟都被杀；郭冲担任代郡太守，终于继承了父亲的事业。人们这才佩服杜畿善于识人。《魏略》记载：李丰的父亲叫李义，和这里说的不一样，义大概是李恢的别名。