湖南省新化縣人，1875年3月6日生於新化縣知方團下樂村一個塾師家庭。自幼隨父課讀，立誌匡時救國。1895年入新化資江書院就讀。1898年考入新化實學堂，博覽新學群書，漸受維新思想影響，倡辦“不纏足會”，開全省風氣之先。1900年考入嶽麓書院。1901年轉入求實書院，學業出眾。

1903年，獲官費赴日本留學，入東京弘文學院師範科，積極投入中國留日學生愛國運動。參加“拒俄義勇隊”（後改名學生軍），任學生軍本部辦事員、歸國運動員。作《敬告湖南人》一文，號召湖南人“當此滅亡之風潮”關頭，應打破“畏死”觀念，奮起挽救國家危亡。這年夏、秋之間，寫就《猛回頭》、《警世鍾》。在《猛回頭》裏，大膽提出“興改革，除舊布新”的“十要”改革主張，提出了“犧牲個人，以利社會，犧牲現在，以利將來”的奮鬥口號。在《警世鍾》裏指出“長夢千年何日醒？”繼而表明要救我中國，必須做到“十個須知”，牢記“十個奉勸”，以此作為警鍾，敲醒長夢中的人們。當時報紙稱這兩書“一字一淚，一語一血，誠普渡世人之寶筏也。”《猛回頭》初版5000部，再版5000部，銷售無餘。為抗議列強瓜分中國的暴行，他又齧指作血書寄示湘人，要求國人預備死戰。“迨天華血書到後，（湖南）全省士氣更激昂”。1903年底，離東京返湘，參加黃興組織的華興會，並任《俚語日報》編輯。1904年春《俚語日報》被查封。他被迫再渡日本入東京法政大學。8月，又冒險歸國，準備參加華興會謀劃的長沙起義。因事泄流產，輾轉到上海，與黃興、章士釗、蔡鍔等決議創立啟明譯書局，作為革命秘密機關，以圖再舉。後東渡日本。

1905年初與宋教仁、田桐等人籌備創辦《二十世紀之支那》雜誌，發表《支那之最後方針》、《國民必讀》等論文。在《獅子吼》這篇沒有完成的作品中，具體描寫了一個理想中的“民權村”，為未來的中國繪製一幅理想藍圖。1905年8月，在東京參與發起成立中國同盟會，參與起草同盟會《總章》和《軍政府宣言》，並起草了著名的文告《革命方略》，任同盟會書記兼《民報》主要撰稿人。還發表了《中國革命論》、《論中國宜改創民主政體》、《今日豈分省界之日耶？》等政治論文，引起強烈反響。清政府和日本文部省等驚恐萬狀，下令打擊迫害中國留學生。11月20日，日本文部省頒布《取締清韓留日學生規則》，對中國留日學生的集會結社、言論通信等橫加限製。為抗議《取締規則》，中國留日學生實行總罷課。他憂時感事，一時激憤不能自解，連夜寫了一篇4000餘字的《絕命辭》，決心以非常的行動來激勵人們“有所警動”、“共講愛國”。1905年12月8日，乘車至大森海灣，投海自盡，年僅30歲。1906年5月23日，他的靈樞運抵長沙。省會學生列隊迎接。29日，禹之謨等革命黨人衝破當局阻撓，將其公葬於嶽麓山。其時，長沙“全城學生製服行喪禮，萬人整隊送之山陵”，哀歌陣陣，隊伍綿延10餘裏，“自長沙城中觀之，全山為之縞素”。其著作由今人輯成《陳天華集》傳世。