黃天元出生于江蘇省南京市,初中就讀于南京玄武外國語學校。初一的時候,完全沒接觸過魔方的他報名參加了班上創建的魔方社團,通過自己上網查資料獨自鉆研,最后可以做到在40秒內玩轉魔方的六個面。2010年12月7日,張藝謀赴南京考核小演員,在面試時,黃天元用英文很靦腆地說了一段臺詞,由于緊張還出現了語法錯誤,但他很符合張藝謀心目中瘦弱秀氣男孩的要求,因此被選中出演電影《金陵十三釵》。
黃天元從初二下學期開始便沒有去學校上課,僅在小中考前回學校念了一段時間書,然后初三上學期又有一個多月沒有上課,但他對自己要求很嚴格,便去找各個任課老師把落下的課業補回來；而班上的數學課代表徐云超還成了他的“私人小老師”,每天中午休息的時間都和黃天元待在一起,幫他重點攻克數學,物理,化學。中考時,黃天元考了661分,超過第一批次重點高中分數線51分。后來,他就讀于南京外國語學校仙林分校國際部12D班。