清新化县人。原名显宿，字星台，亦字过庭，别号思黄，生于光绪元年（1875）。母早逝，父为塾师。陈天华5岁即随父读书，后家境贫寒，乃营小卖以自给，仍然好学不辍。常向人借阅历史书籍、传奇小说，尤其喜爱民间说唱弹词，曾编写一些小说或山歌小调。又富有民族思想，遇乡人有称颂曾（国藩）、左（宗棠）、彭(玉麟)、胡（林翼）功业者，辄鄙弃不顾而去。
光绪二十一年（1895），陈天华随父迁居新化县城，仍以提篮叫卖为生。后经族人周济，得入资江书院附读。二十四年三月，考入新化实学堂，深受当时维新思想影响，曾与本县生员周辛铄、罗永绍等联名禀呈县署，请明谕推广不缠足会。
二十六年春，新化实学堂停办，陈天华考入省城岳麓书院。更潜心求学，考试常名列前茅。莅湘某令欲以女妻之，他婉言谢绝，说：“国不安，吾不娶。”
光绪二十九年春，陈天华获官费赴日本留学，入东京弘文学院师范科。留学期间，见祖国“主权失矣，利权去矣，无在而不是悲观”，亟思有所振奋。因此积极投入中国留日学生各种爱国活动。同年三月，参加拒俄运动，先后成为拒俄义勇队和军国民教育会成员。还“日作书报以警世”，同年，先后撰写《猛回头》和《警世钟》两书，以血泪之声，深刻揭露帝国主义列强侵略中国和清廷卖国投降的种种罪行，风行于世，激起无数青年反帝爱国热情。他鉴于各国新闻喧嚷瓜分中国情势，又齿指血作书数通，寄示湘中学子，要求国人预备死战。血书到湘后，全省士气激昂，甚至巡抚也大为感动，亲临各学堂宣布陈天华血书，并揭载于官报。同年底，陈天华以军国民教育会归国运动员名义，回到长沙，参与创立华兴会。积极从事演说、著书。当时所著文字，多散见于长沙《俚语日报》。
光绪三十年春末，因湘中劣绅构陷，《俚语日报》被封，陈天华被迫东渡日本，入东京法政大学。同年夏返湘，参加华兴会革命活动，曾往江西策动巡防营反正。九月上旬，长沙起义事泄，.他脱险转赴上海，又与黄兴、杨毓麟、刘揆一等合组启明译书局，作为策划再次起义秘密机关。旋以清廷查禁《猛回头》、《警世钟》等书籍甚急，陈天华乃于年底第三次渡海去日本。
革命屡遭挫折，加之日俄战争爆发，国家危机严重，陈天华忧心如焚，曾一度同梁启超等保皇党人发生联系，并在梁等怂恿下，于光绪三十年十二月（1905年1月）散发《救亡意见书》于留学界，“提议由留学生全体选派代表归国，向北京政府请愿， 立即颁布立宪，以救危亡”。他在准备回国陈情之际，经黄兴、宋教仁等多次劝阻，始未成行。此后，反清革命立场更加坚定，日夜挥笔写出《支那最后之方针》、《国民必读》等宣传反清救国文章。
光绪三十一年七月，中国同盟会在日本东京成立，陈天华为主要发起人之一，并担任会章起草员，又选为同盟会本部书记。同盟会出版《民报》，他担任经理兼撰述员。曾发表《中国革命史论》、《论中国宜改创民主政体》等政论和时评。在一篇通俗小说《狮子吼》中，描绘“民权村”，为中国未来绘制一幅美制蓝图。
是年冬，日本文部省颁布《清国留学生取缔规则》。在此前后，日本报纸还对中国留学生进行诋毁攻击。留学生极为愤慨，群起抗议，并决定全体罢学归国。起初陈天华对这种行动并不赞成，宋教仁曾请他写文章发表意见，他予以拒绝；后来，他见事己如此，才转而支持这一行动，并坚决主张“全体一致，务期始终贯彻，万不可互相参差，贻日人以口实”。但留学生内部意见很不一致，部分人反对罢学归国，并组织“维持会”。陈天华忧时感事，一时激愤不能自解，竟于是年十一月十二日投东京大森海湾自沉。他所选《绝命辞》解释自己投海行动说：比举在求国人“去绝非行”、“有所警动”、“坚忍奉公，力学爱国”。陈天华忧愤蹈海，虽不足为后人法，但基于反帝救国心切，勇于牺牲自己，唤起国人，在当时起有很大激励作用。
陈天华殉国后，其灵柩于次年夏归葬长沙岳麓山。其著作今人辑有《陈天华集》。