黄天元出生在风景秀丽的江苏省南京市，他的初中时光是在南京玄武外国语学校度过的。在初一那年，尽管此前从未真正接触过魔方，他还是满怀好奇地报名参加了班级里刚刚成立的魔方社团。凭借着一股自学钻研的劲头，他主动上网查找各种解法资料，反复练习与思考，最终竟能独立在四十秒之内熟练地还原魔方的六个面。时间来到2010年12月7日，著名导演张艺谋专程前往南京为一部新电影挑选小演员。在面试现场，黄天元略显腼腆地用英文背诵了一段指定的台词，期间因为紧张还不小心犯了些语法错误。然而，他整体所流露出的那种瘦削而清秀的气质，恰好与张艺谋导演心目中那个男孩的形象十分吻合。正是这份独特的气质打动了导演，使他最终成功获选，得以参与电影《金陵十三钗》的拍摄。
2011年，黄天元正式开启了他的电影生涯，其个人首部电影作品是与克里斯蒂安·贝尔、倪妮、佟大为等知名演员共同合作，参演了由著名导演张艺谋执导的战争题材影片《金陵十三钗》。在片中，他生动诠释了角色陈乔治，这位人物是前教堂神父的养子，也是学生群体中唯一的男性成员。在剧情发展中，陈乔治毅然肩负起保护女同学们安全的重任，甚至不惜反串扮演“十三钗”中的一员，展现出令人动容的勇气与担当。这部电影上映后市场反响极为热烈，在中国内地电影市场连续四周稳居周票房榜首，最终成功夺得2011年度华语电影票房冠军的荣誉，并在中国地区累计收获了高达6亿元人民币的票房成绩，成为当年备受瞩目的现象级作品。然而，在取得如此亮眼的起步之后，黄天元并未立即将全部重心投入演艺事业，而是做出了回归校园、潜心深造的决定，希望通过学习进一步沉淀和丰富自己。除了认真完成学业课程，他在私下也持续投入大量时间钻研表演艺术，不断观察和吸收业内前辈演员优秀的演绎方法与技巧，为未来的表演之路积累扎实基础。直至2016年5月20日，黄天元重返大银幕，与何润东、李东学、杨奇鸣、夏梓桐等演员联袂出演的动作电影《钢刀》正式公映。随后在2017年8月3日，由刘亦菲与杨洋领衔主演的古装玄幻爱情电影《三生三世十里桃花》上映，黄天元在片中饰演了活泼灵动的青丘小仙松鼠仙一角。到了2019年6月5日，他与陈赫、王子文、唐晓天共同主演的都市轻喜剧《动物管理局》播出，此次他在剧中扮演了身为探员的变色龙精卞梁，这个角色也成为他演艺生涯中首次尝试喜剧表演风格的重要作品，展现了其在不同类型角色上的可塑性。
黄天元自初中二年级下学期起便长期缺席学校的常规课程，仅在迎接地理与生物等科目的小中考前夕短暂返校进行了一段时间的集中学习。进入初三上学期后，他又因故缺勤了一个多月，未能持续参与课堂学习。尽管如此，黄天元始终秉持着高度的自律精神，对自己学业上的要求极为严格。为此，他主动联系了各学科的任课教师，逐一请教并系统补回了所有遗漏的知识点与课程内容。在此期间，班级里的数学课代表徐云超也向他伸出了援手，自愿担任起他的“私人辅导老师”。两人利用每天午间的休息时间共同学习，徐云超重点帮助黄天元攻克数学、物理及化学等理科科目中的难点与薄弱环节。通过这段时期的持续努力，黄天元在中考中取得了661分的优异成绩，这一分数比当年第一批次重点高中的录取分数线高出整整51分。此后，他顺利进入南京外国语学校仙林分校，并在其国际部的12D班开始了高中阶段的学习。
黄天元为人处世认真而踏实，丝毫没有因年少成名而沾染骄矜之气，他时常会为自己的学业成绩感到焦虑，因此在课堂上总是全神贯注地聆听讲解，完成的每一份作业也都字迹工整、细致周到。在学校里，黄天元展现出的是阳光开朗的男孩形象，与他在银幕上可能呈现的阴柔内向角色截然不同。他性格一贯沉稳务实，这或许得益于优良家庭环境的熏陶，使他拥有了超越同龄人的责任感，少了几分常见的浮躁之气，真正将老师教导的“认真应刻入气质”这句话落到了实处。此外，黄天元还是一名魔方高手，在这项需要高度专注与逻辑思维的活动中，他表现出强烈的探究与钻研精神。尽管平日言语不多，性格中也带着些许腼腆，但他在电影《金陵十三钗》中的表演却十分出彩，给观众留下了深刻的印象。而在电影《金陵十三钗》的公开见面会上，他或许显得有些拘谨木讷，但到了后台却流露出活泼可爱的一面，展现出私下里的生动性情。在影视作品《动物管理局》中，黄天元不仅精准演绎了角色本身呆萌可爱、胆小怕事的特质，同时也深刻诠释出如卞梁这般人物忠诚专一、执着感性的一面，使得这个角色栩栩如生地呈现在观众眼前，也让人们从中看到了他作为演员所具有的丰富潜力与多元可能性。