1980至1985年，高天明在第一军医大学修读临床医学学士；1985至1988年，在第一军医大学修读生理学硕士；1988年8月至1998年8月，任第一军医大学基础部生理学教研室助教、讲师；1991至1994年，在中山医科大学修读生理学博士；1995至1998年，在美国田纳西大学医学院/印第安纳大学医学院从事博士后研究工作；2000年9月至2014年7月，任第一军医大学/南方医科大学基础医学院生理学/神经生物学教研室主任、教授；2011年12月至2020年8月，任南方医科大学副校长。2021年11月，当选中国工程院院士。

高天明长期从事神经保护及抗抑郁的研究。