慕容白曜，是慕容元真的玄孙。父亲慕容琚，历任官职都以廉洁清白著称，朝廷赐给爵位为高都侯。慕容琚卒于冠军将军、尚书左丞任上，朝廷追赠为安南将军、并州刺史、高都公，谥号为简。慕容白曜年轻时曾任中书吏，由于性情敦厚正直而在东宫供职。高宗即位以后，授予他北部下大夫之职。慕容白曜袭承父亲的爵位，迁任北部尚书。他在职位上，执法甚严无所偏袒，高宗对他十分宠爱。高宗驾崩之后，慕容白曜与乙诨共同辅佐朝廷政务，迁任尚书右仆射，晋爵为南乡公，加授安南将军。
刘..的徐州刺史薛安都、兖州刺史毕众敬同时以州城归附于朝廷，皇帝令镇南大将军尉元、镇东将军孔伯恭率领军队前往接应他们。但刘..的东平太守申纂屯军于无盐，并州刺史房崇吉屯军于升城，阻拦朝廷使者。皇兴初年(467)，朝廷加授慕容白曜为使持节、都督诸军事、征南大将军、上党公，屯军于石高石敖，作为各路军队的后继。慕容白曜率军在无盐城攻击申纂，占领了东边的外城。当天夜晚申纂逃遁，慕容白曜派兵追击抓获了他，并俘获了城中男女数千口。早先，刘..的青州刺史沈文秀、冀州刺史崔道固同时派使者表示归附朝廷，不久刘..派人对他们进行招安抚慰，他们又归顺刘..。慕容白曜攻克无盐后，回军攻打升城。肥城戍主听说魏军到来，弃城逃走，魏军缴获城中粮食三十万斛。慕容白曜到达升城之后，垣苗、麋沟二戍敌军拒守不降。慕容白曜用一千多骑兵袭击麋沟，麋沟守敌溃败，跳入济水而死的有千余人。接着攻击垣苗，又攻破该戍，缴获粮食十余万斛，从此魏军军粮十分充足。先前，淮陽公皮豹子等人一再进攻垣苗未能取胜，而慕容白曜却在一旬之内，连续攻占四城，军威震慑齐地。显祖对他十分赞赏，下达诏书说：“你总领大军，讨除不肯降服之敌，矛戈所向，无不摧靡，旬日之内，连拔四城，韩信白起之功，怎能有过于此？虽然升城戍将房崇吉死守不降，但其危亡已定，溃在旦夕。应当尽力推崇威略，务必保存我军实力，不要穷兵极武，以使将士劳顿。况且讨伐罪人怜悯百姓，是国家的律令法典，应当以恩德进行招抚，以使重生的恩泽，加之于百姓。”升城不肯投降，慕容白曜非常气愤，于是纵兵登城，杀死敌军数百人，房崇吉连夜逃遁。慕容白曜抚慰城中百姓，一个也不杀戮，百姓都很感激。俘获了房崇吉的母亲和妻子，慕容白曜对她们也以礼相待。
刘..派他的部将吴忄喜公率领数万人马，想要侵犯彭城。镇南大将军尉元上表请求增兵。显祖令慕容白曜率军前往。他到达瑕丘时，身患疾病。当时泗水忽然枯竭，船只不能前进。吴忄喜公只得退走，慕容白曜因而滞留在瑕丘。正好房崇吉与他的堂弟房法寿窃据刘..所属的盘陽城，用来赎回他的母亲和妻子。慕容白曜从瑕丘派将军长孙观等人率骑兵入马耳关前往接应他们。长孙观到达盘陽，各县全部归降。
平东将军长孙陵、宁东将军尉眷率军东讨青州，慕容白曜率军从瑕丘进攻历城。慕容白曜给敌将写了一封信明申大义说：“上天抛弃刘..，祸难滋生发展，骨肉兄弟，自相诛戮，君臣上下，不再有纲纪。徐州刺史薛安都、豫州刺史常珍奇、兖州刺史毕众敬等人深察存亡之势，幡然归附仁义。所以朝廷接纳其诚心，委任以南边的重任。这都是眼前之所见，东西所俱闻的事。无盐戍主申纂竟敢放纵奸邪，劫夺朝廷使者，官军刚一来到，立刻束手就擒。房崇吉固守升城，不久也就溃散。从襄陽以东，至于淮海，莫不望风披靡，服从正化。原说东陽、历城的有识之士，上思薛安都等人的荣显，下念申纂之灭亡，能够追悔前罪，幡然悔悟。但他们执守愚迷，不能改过自新。本人统领大军，扫定北方。渡过黄河方知十二之虚说，来到齐境则想一变之清风，踟蹰四望，依旧何其遥远。故此事先投以书信，晓谕成败得失。见机而动，是《周易》中所称；去危就安，乃人情常理。倘若认为细小草介是高大，不思改悔是美德，那么微子就会受到时人的憎恶，纪季就会受到世人的讥讽。我大魏功德累世，仁德无边，军威所向，无不披靡。当然不是三吴弱兵所能抗拒的。况且事到如今，已成土崩瓦解之势。刘..的威势不能控制秣陵城，政令不能传达到在外的将领，又怎么能够浮江越海，赴危救急。依靠他来救援，何异于马蹄印积水中的鱼，想要到江海中去。蝮蛇螫手就砍断手，螫足就砍断足，实在是忍受肌体之痛以救性命。如若遵奉道义而行动，并无割身之痛，而且可以保家宁宗，长守安乐。这是明智之人所应当深思熟虑的自求多福之举。”
崔道固固守不降，慕容白曜构筑很长的土围子用来攻城。长孙陵等人率军到达青州之后，沈文秀派使者前来请求投降。魏军进入西边外城，士兵颇有抢掠的行为，沈文秀因此而反悔，于是固城拒守。皇兴二年(468)，崔道固和兖州刺史、梁邹守将刘休宾一起自缚前来归降。慕容白曜都亲释其缚而待之以礼。慕容白曜把崔道固、刘休宾以及他们的僚属都送到京师。后来就把这两城有民望的人迁徙到下馆，朝廷设置平齐郡，让他们居住在怀宁、归安两县。其余的人全都作为奴婢，分别赐给朝中百官。慕容白曜虽然是军旅中的人，但他接人待物，都能做到宽和有礼。魏军俘获房崇吉的母亲和妻子、申纂的妻子女儿，他都把她们安置在另外的军营中，不让士卒去騷扰。
慕容白曜于是进讨东陽。这一年冬，进入其西边外城。皇兴三年春，攻克东陽，生擒沈文秀。总共缴获粟八十五万斛，米三千斛，弓九千张，箭十八万八千支，刀二万二千四百把，甲胄各三千三百件，铜五千斤，钱十五万；俘获城内民户八千六百户，四万一千人，吴蛮户三百余。前后共历三年，筑围攻击，日日交兵，虽士卒多有死伤，但并没有多少人埋怨叛逃。慕容日曜派人督催当地人的租税，用来作为军费，不至于侵扰百姓。于是三齐之地欣然，人民安居乐业。攻占东陽城的那一天，由于沈文秀态度傲慢，拒不对他跪拜，慕容白曜气愤万分而对他加以鞭挞，惟因此受到人们讥刺。慕容白曜凭军功被授予使持节、都督青齐东徐州诸军事、开府仪同三司、青州刺史、济南王，将军称号照旧。
皇兴四年(470)冬，慕容白曜被杀。起初乙浑在朝廷专权，慕容白曜对他颇有奉承趋附，据此来追究成为他的罪责。及至慕容白曜行将受诛的时候，又说他图谋反叛朝廷，当时的舆论都认为他受到冤屈。
慕容白曜的幼子慕容真安，当时才只十一岁，听说父亲被逮捕，打算自杀。家中的人劝止他，说：“你父亲的罪到底是轻是重还未可知。”慕容真安说：“父王位高功重，如果只是犯了小罪，终究不至于此。我怎么忍心看到父亲之死。”于是自缢身亡。
慕容白曜之弟慕容如意，也曾跟从慕容白曜讨伐平定历下，他与慕容白曜同时被诛。
太和年间，著作佐郎成淹向朝廷上表，为慕容白曜申辩说：
“臣闻经略疆土开拓天下，实在是良将之功；褒奖仁德酬报功勋，则是圣王之务。昔日姜太公持仗斧铖，开创盛周之基；韩生秉持旌旄，振兴鸿汉之业。所以能够赏赐超越当时，英名流传前史。假若在外之将功成，而朝内流言大作，人主猜疑，良将怀惧，则乐毅因此背叛于燕，章邯因此投奔于楚。至于邓艾心怀忠义，受命宁国，赤诚之心皎然，幽暗与光明同现，而横遭诬陷受到屠戮，实在是可悲。还有王氵睿伐吴，奋不顾身，顺万里长江而下，军锋直指建业，使得孙皓君臣，被执送到洛陽。尽避建立大功，而谗书骤至朝廷，内外相互唱和，眼看冤案就要构成，若非晋武帝明察秋毫，大祸就要临头。每当览观其事，常常为之痛心，圣主明王，实宜深察。
“臣谨查已故征南大将军、开府仪同三司、青州刺史、济南王慕容白曜，祖先数代相继，为东部边地的部族首领，适逢皇魏扩充疆域，于是俯首称臣。慕容白曜生长在魏国，接受王道教化，官职列于上阶，爵位介于帝伯。过去在天安初年，长江北岸的夷楚，竟敢抗拒王命，在三个方向阻挡官军，倚山筑城相连。海岱之地的苍生，翘首等待拯救。圣朝于是眷顾南方，想要拯救边境百姓，在庙堂之上举行朝议，公开推举主将，百官同音，都说同意。推荐委任忠诚的人才，授予慕容白曜以专事征讨之任，拥兵十万，镇守一方。其势威慑河、济而淮、徐震惧，其军出征无盐则申纂授首。济北、太原，同时崩溃；麋沟、垣苗，相继奔逃。及至他回师东扫，崔道固衔璧归降，盘陽、梁邹，肉袒请降。当时东陽尚未平定，人心不稳。沈文静、高崇仁拥兵不降，煽动侵扰已降的边地。崔僧..、盖次陽、陈显达连兵于淮海之地，水陆数路蜂拥，扬旌鼓噪而至，企图增援青、齐。当地百姓蠢蠢欲动，无不寄希望于南方。当时兵卒服役时间已很久，都怀有归家之心，但慕容白曜对外宣扬皇魏之威风，对内极力策划谋略，亲自身穿甲胄，与部下士卒同甘苦，安抚初来归附之民，示以朝廷恩泽。三军心怀如披棉衣之温暖，新民欣喜得到重生的恩泽。于是使得崔僧..率部掩旗，归顺于军门；沈文静、高崇仁弃城逃窜入海；盖次陽、陈显达望尘向南而逃。慕容白曜声震江、吴，风靡荆、江。及至青州平定，沈文秀自缚归降，于是海波清静，三齐得以安定，远至东南地区，永远为魏国所有。使朝廷容纳六州之贡，济、泗停息战乱之患，开岱宗封禅之略，辟山川郡望之序。这实在是朝廷宗庙之灵，神明妙算所授，然而也有慕容白曜的一分功劳啊。
“到了昏暗的瘴气已经清静，慕容白曜的爵位也更显贵，荣耀烛照当时，声誉日益远播。但有人憎恶他的官位，凭空产生嫌隙，由于他的功高，就散布流言蛊惑视听。巧言虚构以假乱真，致使朱紫难以分辨，他一身伤病还未痊愈，满门就遭屠戮。其鸿勋盛德，全都被埋没抹煞。凡是有识之士，怎不为此而凄怆。
“臣以为慕容白曜为官朝廷，接连蒙受荣显的封授，历任朝廷内外要职，一生胸怀忠诚美善。掌握兵权开辟边地，屡次挫败敌国之军，开疆千里，拔城十二，辛勤于军旅之际，奔驰于矢石之间，登锋锐而履危难，一心只为肃清动乱。及至一方之难已经平夷，身受崇高的奖赏，得到疆土的封赐，命运与国家同升降，才以六十岁花甲之年，承蒙极大的荣宠。综观他所建立的功勋，就足以看清他的机谋运筹，难道会希图侥幸，又去谋求非分之望吗？况且在当时，国家的兵马，屯驻在京都之南，跨州连镇，势同云岳。主将全都骁勇雄武，各自镇守其所在之地，无不准备殉忠死难，以尽其节操遵奉时命。这样使任何人都不敢滋生异心，慕容白曜是全然知道的。更何况暗藏的逆贼阻挡官军，营、岱的百姓不满战乱，加以王师接连征伐，州郡屠戮，平民劳苦，神胆俱丧，逃亡失散之众不能与他们图存，离散疲败之民不可同他们谈勇呢！慕容白曜果敢刚毅，熟谙军事，善于体察用兵之势，难道就不懂得兵民不可以凭靠，将士不与自己同心，竟然会依仗强兵之势，凭借涂炭之民，而想要谋求颠覆朝廷，这是愚笨的人也不会去做的。据此推断，事情也就十分明显了。
“陛下圣鉴来自上天，以仁义孝德主宰当世，风度冠于天下，道德超过百王。自大魏开国以来，多有罪犯被处极刑，不能得到完整尸身的人，全都听任其收葬。宽容之恩，自古未有。而慕容白曜人老功高，遭遇祸害而沉沦湮没，声名败灭身受诛戮，其爵位也无以继承，天下百姓，都共同哀伤怜惜，慕容白曜的待遇比起那些无名之辈来，应有差异。愿陛下扬日月之光，明勋臣之绩，垂天地之恩，慰僵尸之魂。让其遗体合棺安葬，给予谥号，让其死后留下名号。再挑选他宗族近亲中才能可以任用的人，赐给低微的爵位，以继承其断绝的香火。如此，进可以奖劝将来之人，退可以显示国家恩泽。使生者蒙莫大之恩，死者受骨肉之惠，难道不是两全其美吗！臣仰奉陛下圣明，赐恩昭览，我为所陈述的狂妄愚昧之言，恭谨地听候刑宪予以裁决。”
高祖阅览成淹的表章，十分赞赏，为慕容白曜的事十分悯怜痛惜。