湖南省新化县人，1875年3月6日生于新化县知方团下乐村一个塾师家庭。自幼随父课读，立志匡时救国。1895年入新化资江书院就读。1898年考入新化实学堂，博览新学群书，渐受维新思想影响，倡办“不缠足会”，开全省风气之先。1900年考入岳麓书院。1901年转入求实书院，学业出众。

1903年，获官费赴日本留学，入东京弘文学院师范科，积极投入中国留日学生爱国运动。参加“拒俄义勇队”（后改名学生军），任学生军本部办事员、归国运动员。作《敬告湖南人》一文，号召湖南人“当此灭亡之风潮”关头，应打破“畏死”观念，奋起挽救国家危亡。这年夏、秋之间，写就《猛回头》、《警世钟》。在《猛回头》里，大胆提出“兴改革，除旧布新”的“十要”改革主张，提出了“牺牲个人，以利社会，牺牲现在，以利将来”的奋斗口号。在《警世钟》里指出“长梦千年何日醒？”继而表明要救我中国，必须做到“十个须知”，牢记“十个奉劝”，以此作为警钟，敲醒长梦中的人们。当时报纸称这两书“一字一泪，一语一血，诚普渡世人之宝筏也。”《猛回头》初版5000部，再版5000部，销售无余。为抗议列强瓜分中国的暴行，他又啮指作血书寄示湘人，要求国人预备死战。“迨天华血书到后，（湖南）全省士气更激昂”。1903年底，离东京返湘，参加黄兴组织的华兴会，并任《俚语日报》编辑。1904年春《俚语日报》被查封。他被迫再渡日本入东京法政大学。8月，又冒险归国，准备参加华兴会谋划的长沙起义。因事泄流产，辗转到上海，与黄兴、章士钊、蔡锷等决议创立启明译书局，作为革命秘密机关，以图再举。后东渡日本。

1905年初与宋教仁、田桐等人筹备创办《二十世纪之支那》杂志，发表《支那之最后方针》、《国民必读》等论文。在《狮子吼》这篇没有完成的作品中，具体描写了一个理想中的“民权村”，为未来的中国绘制一幅理想蓝图。1905年8月，在东京参与发起成立中国同盟会，参与起草同盟会《总章》和《军政府宣言》，并起草了著名的文告《革命方略》，任同盟会书记兼《民报》主要撰稿人。还发表了《中国革命论》、《论中国宜改创民主政体》、《今日岂分省界之日耶？》等政治论文，引起强烈反响。清政府和日本文部省等惊恐万状，下令打击迫害中国留学生。11月20日，日本文部省颁布《取缔清韩留日学生规则》，对中国留日学生的集会结社、言论通信等横加限制。为抗议《取缔规则》，中国留日学生实行总罢课。他忧时感事，一时激愤不能自解，连夜写了一篇4000余字的《绝命辞》，决心以非常的行动来激励人们“有所警动”、“共讲爱国”。1905年12月8日，乘车至大森海湾，投海自尽，年仅30岁。1906年5月23日，他的灵枢运抵长沙。省会学生列队迎接。29日，禹之谟等革命党人冲破当局阻挠，将其公葬于岳麓山。其时，长沙“全城学生制服行丧礼，万人整队送之山陵”，哀歌阵阵，队伍绵延10余里，“自长沙城中观之，全山为之缟素”。其著作由今人辑成《陈天华集》传世。