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》。
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。