黄天元出生于江苏省南京市,初中就读于南京玄武外国语学校。初一的时候,完全没接触过魔方的他报名参加了班上创建的魔方社团,通过自己上网查资料独自钻研,最后可以做到在40秒内玩转魔方的六个面。
2010年12月7日,张艺谋赴南京考核小演员,在面试时,黄天元用英文很腼腆地说了一段台词,由于紧张还出现了语法错误,但他很符合张艺谋心目中瘦弱秀气男孩的要求,因此被选中出演电影《金陵十三钗》。
2011年,黄天元完成了个人首部电影作品,与
克里斯蒂安·贝尔、
倪妮、
佟大为等联袂主演了
张艺谋执导的战争电影《
金陵十三钗》,他在片中所饰演的陈乔治是前教堂神父的养子,也是这群学生中唯一的男生,担任起保护女学生安全的责任,反串成“十三钗”之一,该片在中国内地电影市场连续四周成为周票房冠军,最终成为2011年华语电影票房冠军,并在中国取得了6亿元人民币的电影票房成绩。之后,黄天元并没有就此选择将自己的全部精力放在演艺事业上,而是选择回归学业沉淀自己;除了完成学业外,私下里也是经常钻研演技,吸取演员前辈好的演绎技巧。
2019年6月5日,与
陈赫、
王子文、
唐晓天联袂主演的都市轻喜剧《
动物管理局》播出,而他在剧中饰演的则是身为探员的变色龙精卞梁,这是他首次尝试喜剧风格的作品。
黄天元从初二下学期开始便没有去学校上课,仅在小中考前回学校念了一段时间书,然后初三上学期又有一个多月没有上课,但他对自己要求很严格,便去找各个任课老师把落下的课业补回来;而班上的数学课代表徐云超还成了他的“私人小老师”,每天中午休息的时间都和黄天元待在一起,帮他重点攻克数学、物理、化学。中考时,黄天元考了661分,超过第一批次重点高中分数线51分。后来,他就读于
南京外国语学校仙林分校国际部12D班。
黄天元做事认真踏实,没有一点小明星的得意劲,他会为自己的学习成绩着急,上课听得认真投入,作业完成得工整仔细。黄天元在学校是个很阳光开朗的男孩,并不是电影里那种阴柔内向的男孩。他一直沉稳踏实,可能是受良好家庭环境的影响,他有同龄孩子没有的责任感,少了分浮躁,真正做到了老师教的要把认真铭刻在气质里。黄天元魔方玩得特棒,是个很有探究钻研精神的孩子(南京玄武外国语学校童老师评)。
黄天元虽然话语不多,有点腼腆,但他在电影《金陵十三钗》中的出彩表演却令人印象深刻。黄天元在电影《金陵十三钗》见面会上显得比较木讷,但在后台的时候却非常活泼可爱。在影视剧《动物管理局》中,黄天元不仅演出了人物本身呆萌可爱、胆小怕事的一面,同时也很好的诠释出卞梁忠诚专一、执着感性的一面,让这个角色活灵活现的出现在观众眼前,也让人们看见了他身上的可能性(《新闻晨报》、《深圳晚报》、环球网评)。